基于聚合物熔喷工艺的摩擦纳米发电机性能及应用研究

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传统化石能源的短缺已经引起当今社会的普遍关注,寻找和发展可持续、可再生的新能源是世界各国共同关心的问题。机械能作为一种可再生能源,广泛地存在于我们日常的生活环境中,因此将环境中的机械能转化为电能被认为是一种很有前途的可再生能源技术。摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator,TENG)是一种基于摩擦起电和静电感应原理将环境中的机械能有效地转化为电能的新型能量转化方法。为了提高摩擦层的接触亲密性,广大科研工作者做出了不懈的努力,尝试了许多方法。尽管通过这些方法能制备出具有高比表面积的摩擦层,但是通过一种简单、连续化且环保的方法制备出低成本、性能稳定且大面积的TENG仍然是一个挑战。因此,进一步优化TENG的制备工艺并推进其大面积的应用迫在眉睫。众所周知,基于熔体加工的熔喷技术具有独特的优点,比如:能实现非织造产品的无溶剂和大面积连续化制备。熔喷非织造布同样具有很多优点:比如:成本低,比表面积大,孔隙率高以及可循环使用等,这些为其作为TENG摩擦层奠定了重要的基础。本论文以大面积连续化制备的聚丙烯(Polyproplene,PP)熔喷膜,以及产业化的(Polyamide-66,PA-66)织物和导电织物等材料为基础,制备出织物基摩擦纳米发电机(FB-TENG),并且对它们的输出性能及应用进行了研究。主要的研究及结果如下:(1)本文以低成本且易加工的PP为原材料,以无溶剂且简单可行的熔喷为加工成型工艺,实现了不同克重PP熔喷膜的大面积和连续化制备。并将其与均已经实现产业化的PA-66织物和导电织物共同构建了FB-TENG。系统研究了PP熔喷膜的克重对FB-TENG输出性能的影响,在60 g/m2条件下出现最大输出性能。并且通过摩擦循环试验反映出最优组FB-TENG具有优异的稳定性。同时,随摩擦层面积的增加,FB-TENG的绝对输出性能呈现单调递增趋势,然而更大的摩擦层尺寸导致了更低的电流和电荷密度。通过在电路中连接阻值范围在103Ω至1010Ω之间的负载电阻,系统研究了FB-TENG输出电压,电流和功率密度特性。结果表明,在负载电阻为108Ω时,输出功率达到最大值910 m W/m2。另外,随外力频率从1 Hz增加至6 Hz,FB-TENG的开路电压和短路转移电荷量基本保持不变,分别维持在210 V和100 n C左右,FB-TENG的短路电流却从8μA逐步增加至28μA。最后,通过调节FB-TENG工作环境的相对湿度,研究了湿度对FB-TENG输出性能的影响。结果表明,空气的相对湿度从45%增加至75%,FB-TENG的输出性能呈现明显的下降趋势。(2)探究了FB-TENG在纳米能源领域的应用研究。研究结果表明,该FB-TENG一方面具有对电容器良好的充电能力,另一方面能稳定驱动电子腕表和数量众多的LED灯泡。其次,得益于PP熔喷膜的大面积连续化制备,构建了大面积的FB-TENG用于人流量采集和大面积的能量收集,并且借助网络实现采集信号在手机等移动终端的无线同步显示。通过研究发现,该基于FB-TENG的人流量采集系统具有极短的响应时间(44.4 ms)和回复时间(84.5 ms)。而且,该人流量采集系统能实现长时间的连续采集。另外,该FB-TENG得益于大面积,在采集人流量的同时,还能产生可观的能量输出。此外,得益于FB-TENG的柔性,我们还构建了可贴敷于道具表面的柔性FB-TENG用于拳击训练监控,同样借助网络实现采集信号在手机等移动终端的无线同步显示。该状态下的FB-TENG具有更短的响应时间和回复时间,其值分别为:13.4 ms和12.3 ms。而且,该训练监控系统对外界压强具有快速响应,能精准识别拳击运动员的出拳力度,出拳次数与出拳速度。
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