非金屬無氟紙基發(fā)電機(jī).pdf

1、隨著柔性電子器件的快速增長，柔性電源普遍受到了業(yè)界的關(guān)注。而市場上的電源主要以塊狀的紐扣電池或者鋰電池為主，并不能夠與全柔性電子設(shè)備相接連。此外，電池存在例如爆炸等隱性危險(xiǎn)，常常在航空托運(yùn)中受到限制。因此，目前人們致力于尋求一種全柔性的電源或者發(fā)電機(jī)，其能夠直接為柔性電子產(chǎn)品，如微型可攜帶/穿戴電子設(shè)備、智能包裝提供能源；且保持綠色安全。而紙作為一種信息傳播的傳統(tǒng)載體，具有廉價、質(zhì)輕、可生物降解和可循環(huán)等優(yōu)點(diǎn)，近年來在柔性電子紙、晶體管

2、、觸摸板以及智能包裝顯示等領(lǐng)域引起了廣泛關(guān)注。于是，紙基發(fā)電機(jī)作為外部電源的一種替代或者補(bǔ)充應(yīng)運(yùn)而生，從而拓展了紙基電子產(chǎn)品的應(yīng)用。本論文介紹了一種對環(huán)境友好的非金屬無氟紙基發(fā)電機(jī)，可以從周圍環(huán)境中收集能量并轉(zhuǎn)化為電能。主要的研究內(nèi)容和成果如下：
　　1.基于碳納米管耐腐燭、耐沖擊和導(dǎo)電導(dǎo)熱性好等優(yōu)良特性，我們選擇碳納米管作為導(dǎo)電材料，通過刮涂的方法制作出碳納米管導(dǎo)電層，并測試其抗拉伸性能和穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)證明，碳納米管導(dǎo)電層在不同彎

3、曲條件下其導(dǎo)電性能保持在154.9Ω/□左右，可見，其具有很好的抗拉伸性。此外，碳納米管導(dǎo)電層在原始狀態(tài)下的伏安特性曲線和經(jīng)歷1000次循環(huán)后的伏安特性曲線接近重合，表明碳納米管導(dǎo)電層具有很好的穩(wěn)定性。另一方面，碳納米管替代傳統(tǒng)的金屬作為導(dǎo)電層可以避免金屬回收對環(huán)境的影響。
　　2.基于駐極體可以長久保持剩余電荷的性能，我們選擇駐極體材料聚丙烯作為發(fā)電功能材料，可以避免含氟材料對環(huán)境的影響。通過實(shí)驗(yàn)對比發(fā)現(xiàn)使用多孔聚丙烯材料的發(fā)電

4、機(jī)的輸出峰值電流為使用普通聚丙烯材料發(fā)電機(jī)輸出峰值電流的2倍以上，因此我們進(jìn)一步選擇多孔聚丙烯材料作為發(fā)電功能材料。在對多孔聚丙烯進(jìn)行極化處理的研究中，我們發(fā)現(xiàn)通過負(fù)電暈充電處理后，多孔聚丙烯材料的表面電位可以在較長的時間內(nèi)保持在-620 V左右。
　　3.基于靜電感應(yīng)的原理，我們設(shè)計(jì)出一種新的非金屬無氟紙基 V型發(fā)電機(jī)。這種發(fā)電機(jī)以相紙作為基底，以碳納米管作為導(dǎo)電層，以多孔聚丙烯作為發(fā)電功能材料。根據(jù) V型結(jié)構(gòu)我們建立這類器件的

5、理論模型，推導(dǎo)得出這種非金屬無氟紙基 V型發(fā)電機(jī)在外接電阻條件下輸出特性的基本公式。通過數(shù)值計(jì)算方法，得到峰值電流和瞬時峰值功率在不同外接電阻和不同頻率下的數(shù)值解。進(jìn)一步地，我們可以得到最佳負(fù)載電阻和頻率的關(guān)系，從而為定量分析非金屬無氟紙基 V型發(fā)電機(jī)的輸出特性提出了一套準(zhǔn)確的方法。
　　4.對非金屬無氟紙基 V型發(fā)電機(jī)進(jìn)行實(shí)際輸出性能測試，測試結(jié)果和模擬結(jié)果高度一致。在外力作用下，組成非金屬無氟紙基V型發(fā)電機(jī)的上下兩個部件之間的

6、距離產(chǎn)生變化，形成電荷分離和電勢差，并驅(qū)動電子在外電路中流動。非金屬無氟紙基 V型發(fā)電機(jī)在25 Hz條件下的瞬時峰值功率達(dá)到646.4μW。此外，在持續(xù)運(yùn)動72，000個周期后，器件仍保持完整的形貌和輸出性能，表明發(fā)電機(jī)具有很好的穩(wěn)定性和持久性。同時，我們還證明了通過人體運(yùn)動驅(qū)動發(fā)電機(jī)可以點(diǎn)亮液晶顯示屏，從而證明了紙基發(fā)電機(jī)在防偽包裝方面的應(yīng)用。
　　5.為了進(jìn)一步提高單位面積的輸出功率，我們也制作出非金屬無氟紙基疊層發(fā)電機(jī)。實(shí)驗(yàn)