基于摩擦电的能量采集器件研究.pdf

中文摘要 摘 要 随着世界范围内能源需求的增长，人们越来越多地致力于寻找可持续能源。 另一方面，无线传感网络的快速发展对传感节点又提出了自供电的要求。为了同 时满足能源可持续和系统自供电的需求，多种微型能量采集器得到了极大的发展。 与电磁发电机、压电纳米发电机、热释电纳米发电机等常见的能量采集器不同， 摩擦电纳米发电机(Triboelectric Nanogenerator ，简称TENG)具有制造工艺简单、成 本低廉和可加工性好等优点。作为一种新型的能量采集器件，TENG 不仅可以收集 人体运动产生的能量，还可以收集环境中广泛的能量；此外，TENG 也可作为自驱 动传感器应用于环境监测、健康监测等。 本文基于摩擦电效应研究了以多种有机物作为功能材料的能量采集器件。文 章首先选择聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯(PE) 、聚二甲基硅氧烷(PDMS) 、聚酰亚胺 (PI) 、铜(Cu)等作为摩擦功能材料，建立基于垂直接触-分离模式的摩擦电发电机； 在此基础上测试外界振动频率、加速度等因素对不同器件输出的影响；最后文章 以聚酰亚胺-铜摩擦电发电机为例，将其作为能量采集器件收集手指按压产生的能 量用以点亮发光二极管，并探究质量、加速度对器件输出电压的影响，以此构建 用于微小简谐力测量的系统。 论文的主要工作如下： ① 调研摩擦电纳米发电机的发展现状，研究不同工作模式下 TENG 的原理， 分析垂直接触-分离模式的基础理论和振动理论，确定本文的研究重点和内容； ② 建立基于垂直接触-分离模式的摩擦电发电机理论模型，采用聚四氟乙烯、 聚乙烯、铜作为功能材料，制作摩擦电发电机并测试不同器件输出与材料、频率 和加速度等因素的关系； ③ 对聚二甲基硅氧烷进行不同浓度的石墨粉掺杂，旋涂成膜后并制作成摩擦 电发电机。测试该器件输出电压与频率的关系，同时对比分析石墨粉的不同浓度 掺杂对摩擦电发电机输出电压的影响； ④ 采用聚酰亚胺、铜作为功能材料，制作摩擦电发电机并采集手指按压产生 的能量用以点亮发光二极管； ⑤ 将基于聚酰亚胺-铜的摩擦电发电机用作微小简谐力测量系统，分析器件输 出电压与受到的简谐力的关系，结果显示该力测量系统在测量微小简谐力方面有 较好的应用前景。 关键词：摩擦电；振动能；能量收集；力测量系统 I 英文摘要 Abstract With the increase of energy demand worldwide, people are increasingly committed to finding sustainable energy. In addition, the rapid development of wireless sensor networks puts forward the requirement of self-power supply for sensor nodes. In order to meet the needs of energy sustainability and system self-power supply at the same time, a variety of microenergy harvesters have been greatly developed. Unlike common energy harvesters such as electromagnetic generators, piezoelectric nanogenerators and pyroelectric nanogenerators, triboelectric nanogenerators (TENG) have the advantages of simple manufacturing process, low cost and good processability. As a new energy harvester dev