高輸出小尺寸壓電納米發(fā)電機(jī)研究.pdf

1、為了給無(wú)線傳感器網(wǎng)絡(luò)，納米機(jī)器人和可植入式醫(yī)療納米器件供能，壓電納米發(fā)電機(jī)不僅需要具有高的輸出功率，同時(shí)還必須具有超小的尺寸。然而，超小尺寸和高輸出功率通常不能兼得。因此，設(shè)計(jì)出超小尺寸的高輸出壓電納米發(fā)電機(jī)是非常必要的，并且具有挑戰(zhàn)性的。
　　自2006年，基于氧化鋅納米線的壓電納米發(fā)電機(jī)首次被提出以來(lái)，采用具有高壓電系數(shù)的鐵電材料和集成化設(shè)計(jì)的納米線陣列已經(jīng)成為提高壓電納米發(fā)電機(jī)輸出的兩種非常有效的方法。從材料角度而言，鋯鈦酸

2、鉛（PZT）具有很高的壓電系數(shù)，非常適合作為壓電納米發(fā)電機(jī)的壓電材料。然而，塊體或薄膜狀的PZT材料非常脆，需要使用柔性聚合物材料進(jìn)行封裝，以提高壓電納米發(fā)電機(jī)的柔韌性和循環(huán)使用壽命。本文設(shè)計(jì)了基于一致取向納米線陣列的柔性納米發(fā)電機(jī)，建立了基于PZT納米線陣列的壓電納米發(fā)電機(jī)靜態(tài)輸出特性模型。應(yīng)用有限元方法，研究了PZT和柔性聚合物材料的種類(lèi)，納米線的長(zhǎng)度和直徑以及器件的厚度對(duì)壓電納米發(fā)電機(jī)電容，上表面電荷密度和開(kāi)路電壓的影響。優(yōu)化了基

3、于PZT納米線陣列的柔性納米發(fā)電機(jī)的機(jī)電結(jié)構(gòu)，提高了壓電納米發(fā)電機(jī)的輸出性能。
　　在此基礎(chǔ)上，本章深入研究了PZT納米線直徑對(duì)壓電納米發(fā)電機(jī)輸出性能的影響，使得基于一致取向PZT納米線/PMMA的壓電納米發(fā)電機(jī)的輸出性能得到進(jìn)一步提高，其上表面電荷密度的峰值為19.8μC/m2，開(kāi)路電壓的峰值為3.8V。模擬結(jié)果表明，壓電納米發(fā)電機(jī)的輸出性能與PZT含量有關(guān)：隨PZT含量的增加，壓電納米發(fā)電機(jī)的輸出性能先升高后降低，有最優(yōu)值存在

4、。利用PZT含量與壓電納米發(fā)電機(jī)輸出性能之間的關(guān)系，本章設(shè)計(jì)出基于一致取向PZT納米管/PMMA壓電復(fù)合材料的高輸出壓電納米發(fā)電機(jī)，使壓電納米發(fā)電機(jī)的上表面電荷密度增加了13％，從19.8μC/m2提高到22.4μC/m2；同時(shí)，壓電納米發(fā)電機(jī)的開(kāi)路電壓提高了20%，從3.8V提高到4.56V。以上結(jié)果說(shuō)明本章的優(yōu)化方案對(duì)壓電納米發(fā)電機(jī)輸出性能有著顯著的提升效果。
　　第三，單層二硫化鉬（MoS2）具有優(yōu)異的機(jī)械拉伸性，大的壓電響

5、應(yīng)以及高的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，因此成為目前柔性納米發(fā)電機(jī)的研究熱點(diǎn)之一。本文通過(guò)采用單層二硫化鉬/絕緣體/單層二硫化鉬的層狀結(jié)構(gòu)，將單層二硫化鉬沿同一取向堆疊，解決了自然界中單層二硫化鉬無(wú)法沿同一取向堆疊的難題，設(shè)計(jì)了基于單層二硫化鉬的壓電納米發(fā)電機(jī)功能結(jié)構(gòu)單元，保留并最大程度地發(fā)揮了單層二硫化鉬的優(yōu)勢(shì)。在此基礎(chǔ)上，將功能結(jié)構(gòu)單元集成，設(shè)計(jì)并得到了超小尺寸的高輸出壓電納米發(fā)電機(jī)原型。研究表明，絕緣體材料的種類(lèi)，絕緣體層的厚度和單元層的邊長(zhǎng)對(duì)二