纳米发电机,作为一种革命性的新型能量收集装置,通过非常简单的结构并巧妙运用摩擦生电和静电感应的原理,就能够有效地收集和利用机械能或其他各种动能,并在构建自供电装置方面发挥着重要作用。近年来,随着智能可穿戴能源器件的迅速发展,对器件的轻质化、微型化和柔性化提出了更高的要求。由于人体自身不仅是绿色机械能的丰富来源,而且是智能可穿戴电子的应用终端,如果能够实现纳米发电机和人体运动的无缝结合,将可以通过人体动作方式实现能量的获取和利用。因此,赋予纳米发电机良好的可穿戴性,是实现智能可穿戴器件自供能最具潜力和最实用的解决方案之一。纺织材料,具有天然的柔韧性和可穿戴性,能够承受多种复杂的机械变形,如拉伸、扭转、弯曲和撕扯,在智能可穿戴能源器件领域具有明显的优势。将先进的纳米能源收集技术与传统的纺织材料和结构融合,有利于开发新型智能纺织品——纺织基纳米发电机,从而充分发挥各自的优点并实现机械能的收集和电能转换。目前,纺织基纳米发电机的研究引起了越来越多的关注,不仅可作为柔性电源为可穿戴微型电子器件供电,而且在柔性传感器领域也有广阔的应用潜力。尽管纺织基纳米发电机的研究已取得一些进展,但从纺织基纳米发电机要作为电源使用的角度看,其输出功率还处于较低水平,还需进一步研究提升。另外,已有纺织基纳米发电机的结构尚不完善,易受环境因素影响,也需进一步改进完善,才能更具实际应用潜力。论文以纺织基摩擦纳米发电机性能提升为最终目的,从材料优化和结构设计两个方面,进行了一系列深入的研究。通过选择新型的高效摩擦材料、掺杂纳米颗粒、膨化改性,应用新型制备方法制备摩擦材料等,提高了摩擦纳米发电机的输出性能;设计并制备了新型的“气囊密封—空气间隔”新型结构的摩擦纳米发电机,并证明了其优良性能。具体如下:(1)为了加强负极摩擦材料的摩擦带负电性,制备了Cu纳米颗粒掺杂的TPE尼龙复合织物(Cu-TPE-尼龙复合织物),并将其作为摩擦纳米发电机的高效负极摩擦材料。热塑性弹性体(TPE)作为一种合成橡胶,具有重量轻、柔韧性好、撕裂强度高、耐摩擦性好等优点,且与尼龙织物具有天然的良好粘附性。采用流延成膜法,制备了TPE薄膜,Cu-TPE薄膜和Cu-TPE-尼龙复合织物。探究了TPE膜厚度及Cu纳米颗粒掺杂量对摩擦纳米发电机最终输出性能的影响。结果表明当TPE溶液浓度为50%,即TPE膜的厚度为0.68 mm,Cu纳米颗粒掺杂量为1.5 g时,效果最佳。使用上述参数制备的TPE薄膜与尼龙织物进行复合得到Cu-TPE-尼龙复合织物,并制备了基于复合织物的摩擦纳米发电器件。该Cu-TPE-尼龙复合织物具有优异的弹性、弯曲性能和柔韧性。给制备的发电器件施加一个60N的外力,在外接电阻为3 MΩ的条件下可以实现最大输出开路电压470 V、短路电流24μA、输出功率12 mW。更重要的是,制备的器件可以高效地收集人体生物力学能量,并具有良好的柔性和穿戴舒适性。(2)为了进一步提高聚四氟乙烯(PTFE)容纳电荷的能力,以PTFE颗粒为原料,通过膨胀拉伸的加工工艺,制备了膨化聚四氟乙烯(ePTFE)纤维膜,并将其应用为摩擦纳米发电机的负极摩擦材料。与PTFE薄膜不同,ePTFE纤维膜具有纤维状和多孔的表面,具有优异的柔性和弹性。膨化率是ePTFE纤维膜加工过程中非常重要的参数,决定了ePTFE纤维膜的最终形态,从而影响摩擦纳米发电机的输出性能。因此,本研究对膨胀率对摩擦纳米发电机输出性能的影响进行了系统研究。采用不同膨胀率的ePTFE纤维膜和尼龙织物分别作为两个摩擦层材料,制备了折叠结构的摩擦纳米发电器件。对ePTFE纤维膜的膨胀率为0~400%的摩擦纳米发电机的输出性能进行了测试和比较。结果表明,随着膨化率的增大,器件的输出电信号呈现先增大后稳定下降的趋势,当膨胀率为100%时器件的输出性能最佳,与PTFE相比,电信号输出性能实现了55%的提升。该摩擦纳米发电器件具有优良的性能和输出稳定性,当外接为1 MΩ,有效接触面积为1 cm~2时,最大输出功率密度为10.1 W/m2。研究表明,膨化拉伸加工工艺赋予ePTFE纤维膜更好的摩擦带负电性,使ePTFE纤维膜成为一种高效的负极摩擦材料。(3)为了加强正极摩擦材料的摩擦带正电性,采用静电纺丝法制备了聚己内酯(PCL)和聚酰胺-6(PA6)静电纺丝膜,分别作为摩擦纳米发电机的正极摩擦材料,ePTFE纤维膜作为负极摩擦材料,制备了摩擦纳米发电机。通过对比研究表明,PCL基摩擦纳米发电机的输出性能明显高于常用的PA6基摩擦纳米发电机,性能提高了28%左右。这是因为PCL中的含氧官能团是很强的电子供体,赋予了PCL更强的给电子能力。此外,使用具有更多氧原子的聚乙二醇甲醚(mPEG),通过静电纺丝(ES)和浸渍涂层(DC)两种方法对PCL静电纺纤维膜进行了改性。FTIR和XPS结果表明,改性后的纤维膜被赋予了更多的含氧官能团和氧原子,意味着纤维膜被赋予了更强的给电子能力。摩擦纳米发电机的输出结果表明,mPEG对改善PCL的摩擦带正电荷性是非常有效的,随着mPEG含量的增加,基于mPEG改性PCL纤维膜的摩擦纳米发电机的输出性能实现了超过40%的显著提升,最大瞬时功率密度高达115.83 W/m2。这项工作为正极摩擦材料的选择提供了更多的理论参考。(4)为了优化摩擦纳米发电机的结构并减少环境因素的影响,设计并制备了一种新型的“气囊密封—空气间隔”结构的摩擦纳米发电机(A-TENG),巧妙地利用气囊内一定压力的空气作为两层摩擦材料之间的支撑间隔材料,从而实现摩擦材料间的柔和接触分离,并减少了外界环境因素的影响。系统地研究了气囊内部空气含量(即内部气压)、气囊大小和外部环境对“气囊密封—空气间隔”摩擦纳米发电机输出性能的影响。结果表明,当器件内压强为0.5 kPa时,产生最大的输出功率。实验结果还表明,内部空气能够有效平衡作用力的分布,起到均匀正反向输出信号的作用。气囊大小对输出性能影响的分析结果表明,随着气囊半径的增大,最大输出电信号对应的最佳内压呈现出逐渐减小的趋势。为了探究制备的器件对外界环境的敏感程度,研究了外力大小、外力频率、充入空气湿度和温度对器件输出性能的影响。结果表明,器件对空气湿度最为敏感,因此该密封结构的优势即凸显出来。通过控制气囊内压强0.5 kPa,外力大小50 N,外力频率5 Hz,空气相对湿度20%,环境温度10℃,外接负载为5 MΩ,该“气囊密封—空气间隔”摩擦纳米发电机的输出功率密度达6.74 W/m2。由于采用高弹性的全密封结构,“气囊密封—空气间隔”摩擦纳米发电机不仅能够有效地应对潮湿环境,而且能够收集机械压力、风能和空气震动等多种形式的机械能。而且,该结构器件具有轻质、制备简单、成本低、灵活等优点,进一步拓宽了摩擦纳米发电机的应用领域。