非金屬無氟紙基發(fā)電機.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備相接連。此外，電池存在例如爆炸等隱性危險，常常在航空托運中受到限制。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，其能夠直接為柔性電子產品，如微型可攜帶/穿戴電子設備、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、質輕、可生物降解和可循環(huán)等優(yōu)點，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域引起了廣泛關注。于是，紙基發(fā)電機作為外部電源的一種替代或者補充應運而生，從而拓展了紙基電子產品的應用。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，可以從周圍環(huán)境中收集能量并轉化為電能。主要的研究內容和成果如下：
　　1.基于碳納米管耐腐燭、耐沖擊和導電導熱性好等優(yōu)良特性，我們選擇碳納米管作為導電材料，通過刮涂的方法制作出碳納米管導電層，并測試其抗拉伸性能和穩(wěn)定性。實驗證明，碳納米管導電層在不同彎

3、曲條件下其導電性能保持在154.9Ω/□左右，可見，其具有很好的抗拉伸性。此外，碳納米管導電層在原始狀態(tài)下的伏安特性曲線和經歷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。通過實驗對比發(fā)現(xiàn)使用多孔聚丙烯材料的發(fā)電

4、機的輸出峰值電流為使用普通聚丙烯材料發(fā)電機輸出峰值電流的2倍以上，因此我們進一步選擇多孔聚丙烯材料作為發(fā)電功能材料。在對多孔聚丙烯進行極化處理的研究中，我們發(fā)現(xiàn)通過負電暈充電處理后，多孔聚丙烯材料的表面電位可以在較長的時間內保持在-620 V左右。
　　3.基于靜電感應的原理，我們設計出一種新的非金屬無氟紙基 V型發(fā)電機。這種發(fā)電機以相紙作為基底，以碳納米管作為導電層，以多孔聚丙烯作為發(fā)電功能材料。根據 V型結構我們建立這類器件的

5、理論模型，推導得出這種非金屬無氟紙基 V型發(fā)電機在外接電阻條件下輸出特性的基本公式。通過數(shù)值計算方法，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。進一步地，我們可以得到最佳負載電阻和頻率的關系，從而為定量分析非金屬無氟紙基 V型發(fā)電機的輸出特性提出了一套準確的方法。
　　4.對非金屬無氟紙基 V型發(fā)電機進行實際輸出性能測試，測試結果和模擬結果高度一致。在外力作用下，組成非金屬無氟紙基V型發(fā)電機的上下兩個部件之間的

6、距離產生變化，形成電荷分離和電勢差，并驅動電子在外電路中流動。非金屬無氟紙基 V型發(fā)電機在25 Hz條件下的瞬時峰值功率達到646.4μW。此外，在持續(xù)運動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動驅動發(fā)電機可以點亮液晶顯示屏，從而證明了紙基發(fā)電機在防偽包裝方面的應用。
　　5.為了進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。實驗