【摘 要】
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随着物联网(IoTs)、人工智能的快速发展,越来越多的传感网络在人们的日常生活中被广泛应用并发挥极其重要的作用。目前,传感网络仍主要由传统电池供电。然而,传统电池广泛的使用面临频繁充电、更换以及环境污染等重要科学问题。因此,如何为传感网络提供可持续、无污染的能源供给成为物联网发展的巨大挑战。我们周围存在的机械能具有分布广泛和可再生的特点,收集环境中的机械能为解决上述科学问题提供了重要的途径。自20
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随着物联网(IoTs)、人工智能的快速发展,越来越多的传感网络在人们的日常生活中被广泛应用并发挥极其重要的作用。目前,传感网络仍主要由传统电池供电。然而,传统电池广泛的使用面临频繁充电、更换以及环境污染等重要科学问题。因此,如何为传感网络提供可持续、无污染的能源供给成为物联网发展的巨大挑战。我们周围存在的机械能具有分布广泛和可再生的特点,收集环境中的机械能为解决上述科学问题提供了重要的途径。自2012年以来,摩擦纳米发电机(TENG)在收集环境机械能方面展现出广阔的应用前景,并且其在收集人体机械能方面具有明显的优势,但是如何高效收集人体机械能的技术仍然需要进一步发展。因此,开发一种能够适应人体运动并高效收集人体机械能的柔性TENG是本论文的第一研究要点。另外,TENG的输出性能仍然具有进一步提高空间,因此如何提高TENG的输出性能是本论文的第二研究要点。基于以上研究要点,本论文从材料选择以及结构设计等方面出发,构建了柔性摩擦纳米发电机,并且对其电学输出性能进行了系统的科学研究。本论文的主要研究结果如下:(1)我们利用生物相容性的电解质溶液(碘化钾甘油溶液)作为电极材料、有机硅橡胶作为封装和摩擦材料,成功构建了柔性、可拉伸和形状自适应的摩擦纳米发电机(LS-TENG)。该器件展现出优异的电学输出性能:面积为4×4 cm~2的器件在人手拍打时,最大开路电压、短路电流和功率密度分别为300 V、17.5 mA m-2和2.0W m-2。碘化钾甘油溶液具有极低的杨氏模量使得LS-TENG具有优异的机械性能,如拉伸、扭曲、折叠。另外,由于较高的分子间作用力,甘油的蒸发速率远小于水的蒸发速率,极大地提高了LS-TENG的稳定性。该器件不仅能够收集人体运动机械能为电子设备供电(例如LED、手表、计算器等),还可作为自驱动传感器实现人体运动监测和人机交互的功能。本工作所制备的器件在电子皮肤、可穿戴多功能智能电子产品、软机器人、自供电生物医学监测等领域具有广阔的应用前景。(2)为了提高摩擦纳米发电机的电学输出性能,将水热法制备的四方相钛酸钡纳米粒子(BTO NPs)(粒径约为100nm)掺入到聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)基体中,并利用静电纺丝技术制备的PVDF-TrFE/BTO NPs纳米纤维膜(负摩擦材料)和尼龙膜(正摩擦材料)构建了高输出性能的摩擦纳米发电机。BTO NPs的掺入提高了PVDF-TrFE纳米纤维膜的介电性能和表面电荷密度,进而显著提高了摩擦纳米发电机的电学输出性能。当掺杂浓度从0wt%增加至0.5wt%时,器件(3×3cm~2)的开路电压从144V增加至270V,相应的短路电流从8.1μA增加至27μA,输出功率从465μW增加至2880μW。同时,基于静电纺丝纤维膜的TENG在低频运动下表现出了优异的电学输出性能、稳定的(>7K循环)输出、快速为商用电容器充电以及持续驱动低功耗电子设备(例如商用LED)的能力。从材料和介电常数调控的角度出发,本研究为构建高输出性能的摩擦纳米发电机提供了一种简单、有效的方法。
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