摩擦納米發(fā)電機(jī)在聲波能量收集中的應(yīng)用.pdf

1、電子器件的快速發(fā)展和廣泛應(yīng)用，為人類的生活帶來(lái)極大的便利。但是如何在使用過(guò)程中為這些電子器件持續(xù)性地供電或者定期充電卻是一個(gè)非常棘手的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，人們嘗試從環(huán)境中收集各種形式的能量，并將之轉(zhuǎn)化為電能來(lái)驅(qū)動(dòng)電子器件，以構(gòu)建出自供能系統(tǒng)。聲波能量作為環(huán)境中常見(jiàn)的一種機(jī)械能，卻由于缺乏有效的收集方法而一直被忽視和浪費(fèi)。如果能夠設(shè)計(jì)出合理的能量收集裝置將這部分能量收集起來(lái)并轉(zhuǎn)化為電能，它將能夠滿足基礎(chǔ)設(shè)施監(jiān)控、環(huán)境監(jiān)控等領(lǐng)域中傳感系

2、統(tǒng)的能源需求。近年來(lái)新出現(xiàn)的納米發(fā)電器件-摩擦納米發(fā)電機(jī)能夠持續(xù)收集環(huán)境中微弱、無(wú)規(guī)則的機(jī)械能并將其轉(zhuǎn)化為電能，它為聲波能量的收集和利用提供了新的方法。本論文針對(duì)環(huán)境中聲波能量的特點(diǎn)，開(kāi)展了聲波驅(qū)動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)優(yōu)化相關(guān)的研究工作。
　　基于摩擦起電現(xiàn)象和靜電感應(yīng)效應(yīng)，首先設(shè)計(jì)并制作出一種能夠有效收集聲波能量的摩擦納米發(fā)電機(jī)。該聲波驅(qū)動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電流可以達(dá)到0.45mA，是當(dāng)時(shí)最高紀(jì)錄的28倍。最重要的是，這

3、種摩擦納米發(fā)電機(jī)不需要結(jié)構(gòu)復(fù)雜的共振箱就可以正常工作，解決了目前聲波驅(qū)動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)過(guò)于復(fù)雜的問(wèn)題，而且它對(duì)50Hz到450Hz頻率范圍內(nèi)的聲音都具有良好的響應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)寬頻譜聲波能量的收集。為了進(jìn)一步提高聲波驅(qū)動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能，又設(shè)計(jì)出一種由多個(gè)工作單元組成的三維立體結(jié)構(gòu)，其最大輸出電流和輸出電壓可以達(dá)到2.1mA和232V，分別是原來(lái)聲波驅(qū)動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的4.6倍和2.6倍。
　　然后考慮到在實(shí)際應(yīng)用中除了聲

4、波驅(qū)動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能，還需要考慮應(yīng)用環(huán)境對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)的影響。環(huán)境中的灰塵、濕氣以及雨水等能夠直接作用在摩擦面上從而降低摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出性能。因此，基于已有的工作設(shè)計(jì)出一種密閉型聲波驅(qū)動(dòng)摩擦納米發(fā)電機(jī)，它的最大輸出電壓和電流分別為72V和0.66mA。該摩擦納米發(fā)電機(jī)的密閉型結(jié)構(gòu)可以將環(huán)境中的灰塵和濕氣隔離在外，使它內(nèi)部的摩擦層不受環(huán)境因素的影響，從而能夠在多灰塵和潮濕的環(huán)境中保持穩(wěn)定的輸出。
　　最后從實(shí)驗(yàn)和模擬

5、計(jì)算兩方面證實(shí)摩擦電荷數(shù)量隨著摩擦層厚度的增加先增加，然后趨于平穩(wěn)；而且較低的載流子濃度和較小的電子遷移率能夠有效地降低摩擦電荷的復(fù)合，從而會(huì)大幅度提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電荷量。以此為基礎(chǔ)，利用PS和PVDF構(gòu)建出一種復(fù)合摩擦層，它能夠顯著地提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電荷量。利用這種PVDF/PS復(fù)合摩擦層制作出聲波驅(qū)動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)，它的最大輸出電荷量是純PVDF摩擦層的4.5倍，相應(yīng)的輸出能量提高了19倍。這個(gè)研究不僅有效地提高了聲波驅(qū)