PAN静电纺丝膜基摩擦纳米发电机的性能研究

环境能源的利用可以有效缓解资源匮乏和电池污染带来的负面影响,其中风能是最具有潜力的能源之一。为了有效的利用生活中的风力,设计了一种颤振式的摩擦纳米发电机,其工作模式为接触独立层模式。该发电机以静电纺丝膜聚丙烯腈和聚偏氟乙烯作为摩擦材料,研究了风速、器件间隙、颤振膜尺寸对频率和电输出信号的影响。结果表明:PAN静电纺丝膜用作摩擦正极层,具有极好的机械性能、耐高温稳定性。选用PVDF静电纺丝膜作为负摩擦电级,PVDF静电纺丝膜具有较高的耐磨性和极化程度。F-TENG的最大输出功率可以达到164.6μW,短路电流为9.69μA,开路电压约为112.3 V。风力驱动的F-TENG可以点亮最少150个商业用LED。通过和整流装置的连接可以为小功率用电器(计算器)进行供电。拓展了静电纺丝膜在摩擦纳米发电机上的应用。

面向高性能摩擦纳米发电机的电介质材料

摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)作为微纳电源或自取能传感器近年来在多领域表现出广阔的应用潜力.TENG的输出性能提升与作为摩擦起电层的电介质材料接触起电特性密切相关.本文首先介绍了TENG及其电介质摩擦起电层的相关基础理论和模型;其次,阐述了TENG电介质材料的选材、改性(表面改性、体改性)和结构设计策略,其中表面改性和体改性涉及表面粗糙度控制、官能团调控、电介质材料介电参数优化,在电介质的结构设计方面,重点介绍了电荷传输层、捕获层、阻挡层的原理及通过多层结构来提高TENG介电性能的典型方法;最后,强调了本领域发展面临的挑战和未来发展趋势,为面向高性能TENG的纳米电介质材料开发提供参考.

通过案例教学促进研究生思维创新——以摩擦纳米发电机的诞生与应用为例

研究生在获得专业知识的同时,还需要结合文献阅读与实验现象,提出具有创新性的科研问题,并以此为基础设计出解决这些问题的实验方案,案例教学在此过程中可以发挥关键作用。本文以摩擦纳米发电机的诞生及应用为实例进行教学探讨,旨在剖析如何有效发现问题以及在这一过程中运用求异和迁移思维,以期激发研究生运用这些思维方式去挖掘新颖独特的科研问题,并进一步规划实验路径以验证和解答这些问题,从而为研究生完成学术论文奠定良好的基础。

冲击式波浪能摩擦纳米发电机的设计与半物理实验

提出并设计了一种基于冲击式空气透平的波浪能摩擦纳米发电机,将其应用于振荡水柱波浪能转换装置中,能够将低频的海洋波浪能高效转换为电能。详细阐述了该发电机的结构与工作原理,搭建了两个实验平台,分别进行了电极参数优化实验和电学输出性能实验。实验结果表明,利用聚四氟乙烯作为电极的介电材料,其电学输出性能最优,聚四氟乙烯的厚度越大,电学性能输出越好。当发电机电极角度逐渐减小时,短路电流呈上升趋势。设计并制造了冲击式波浪能摩擦纳米发电机,进行了单风向半物理仿真实验。研究了不同风速下的电学输出性能,并进行了电容充电实验。通过电路设计驱动点亮了33盏LED。验证了冲击式波浪能摩擦纳米发电机的可靠性以及对小型传感器供能的潜力。

低频小振动能量收集的伞型摩擦纳米发电机

针对摩擦纳米发电机功率密度低、触发难、耐久度差的问题,该文设计一种伞型摩擦纳米发电机(umbrella-shape triboelectric nanogenerator,U-TENG)用于收集低频小振动能量。U-TENG以纸基作为连接机构,使上下伞叶在振动环境中进行有序开合,可以有效增加摩擦层数量、增大接触面积、改善接触面的贴合效果。另外,在摩擦电单元的设计上,通过叠放氟橡胶提高导电层上的感应电荷量,以优化电能输出性能。实验结果表明:当两个摩擦电单元并联运行时,UTENG的最大短路电流和开路电压分别能够达到125.9μA和804 V;在低频小幅振动下其瞬时功率密度最高达到509.3 W/m^(3);U-TENG可以收集环境中不同形式的振动能,以收集脉冲式振动的能力尤为突出,最多可驱动960个LED灯。该方法可为环境中低频振动能的高效捕获提供思路。

聚四氟乙烯掺杂对弹性基摩擦纳米发电机输出性能的影响

弹性摩擦纳米发电机可以将弹性形变的机械能转换为电能,但是弹性材料在发生弹性变形时由于其接触面积减小等原因,导致电输出性能降低,而弹性摩擦纳米发电机被认为是弹性能量收集与输出装置的理想模式。文中采用常规自然发泡的方法制备出弹性多孔聚氨酯摩擦电材料,并通过均匀和梯度掺杂的方式掺入介电材料聚四氟乙烯来提升电输出性能。聚醚多元醇和异氰酸酯比例为2:1且聚四氟乙烯掺杂含量为3%时,均匀掺杂弹性多孔摩擦纳米发电机的转移电荷量、开路电压和短路电流达到最大值52 nC,133.6 V和1.3μA;梯度比例为3:1时,在相同条件下,梯度掺杂弹性多孔摩擦纳米发电机的转移电荷量,开路电压和短路电流较均匀掺杂弹性多孔摩擦纳米发电机分别提升了32.65%,33.33%和9%。通过有限元电势分布模拟和相互作用电动力学理论推导,验证了梯度掺杂较均匀掺杂的摩擦纳米发电机电输出性能有较强的提升作用。为弹性多孔聚氨酯摩擦电材料的设计与制备提供了新思路。

基于固-液摩擦纳米发电机的海洋红外对射自供能发电胶囊

为了实现海上电子围栏中红外对射装置的自供能,同时降低供电成本和简化安装,设计了一种基于固-液摩擦纳米发电机的海洋红外对射自供能发电胶囊。对摩擦纳米发电机发电胶囊(PC-TENG)进行仿真电学分析与0.02~2.00 Hz工况下的实验,验证了PC-TENG可以将波浪能转换为电能。仿真模拟的最大电势为3.2 V,基于去离子水的PC-TENG最大短路电流和开路电压分别为27.38μA和2.84 V。为了提高装置的实用性和输出性能,采用更接近海水的摩尔分数4%的氯化钠溶液作为液体摩擦材料进行对比实验,最大短路电流和开路电压分别为21.62μA和2.08 V,验证了使用海水作为液体摩擦材料的可行性。最后,进行了耐久性测试,基于去离子水的PC-TENG短路电流和开路电压分别衰减了5.5%~6%和3%~4%,基于摩尔分数4%的氯化钠溶液的PC-TENG短路电流和开路电压均衰减了6%~7%,验证了发电的耐久性,为海上电子围栏供能提供了新的参考和思路。

雨滴能量收集型摩擦纳米发电机的研究进展

简单阐述了摩擦纳米发电机(TENG)的工作原理及4种基本工作模式。总结了雨滴能量收集型TENG在基于垂直接触-分离结构、单电极结构、独立层结构3种工作模式及多种基本工作模式集成的结构优化及应用。介绍了开发出的其他结构类型的TENG及通过表面处理、结构优化等方式对雨滴能量收集效率的增强。此外,对其他类型如太阳能、风能等清洁能源收集装置与雨滴能量收集型TENG集成为互补的混合能源装置进行了介绍和分析。最后,对目前TENG在雨滴能量收集方面存在的问题和不足进行总结,并展望了未来的挑战和发展方向。

废弃茶叶基摩擦纳米发电机开发及其应用

为提高摩擦纳米发电机的输出性能,选用茶叶加工过程中产生的副产品作为材料,系统研究其颗粒目数大小对茶材料基摩擦纳米发电机输出性能的影响.实验结果表明,摩擦纳米发电机的电输出性能随着茶粉颗粒目数提高而提高,当茶粉目数为400目时,其开路电压、短路电流和输出功率分别达到275 V、9μA和459.51μW,且在10 MΩ阻抗下的输出功率密度可达45.951 mW·m^(-2).此外,所制备的摩擦纳米发电机可点亮120颗商业LED灯,并且具有良好的电容充电能力,在电子设备和无线传感器供电方面的实际应用也展示了良好效果.

摩擦纳米发电机在收集蓝色能源上的应用与研究

为了减少碳排放,保护生态环境,人们对海洋资源的开发和研究愈发深入,可再生能源收集技术是该领域研究的重点。其中,摩擦纳米发电机是利用接触电气化现象的最有前途的机械能收集器之一,其具有可利用的机械能资源丰富、材料可得性和可选性广、器件结构相对简单、加工成本低等诸多优势。最近10年,世界各地研究人员在这一领域的研究取得了巨大进展。本文综述了近年来应用于摩擦纳米发电机(TENG)上的各种新型摩擦电材料,介绍了摩擦电材料的选取规则,并总结了对摩擦电材料进行物理表面修饰、化学表面修饰和其他相关改性方式,最后归纳了用于收集蓝色能源的摩擦纳米发电机装置的仿生结构的设计研究进展,并对未来的应用和发展方向进行了展望。

纺织品摩擦纳米发电机的研究进展

阐述了纺织品摩擦纳米发电机(T-TENG)在智能可穿戴领域的优势。重点介绍了纺织品摩擦纳米发电机的四种工作模式,包含垂直接触-分离模式、单电极模式、水平滑动模式和独立摩擦层模式。分析了不同组成结构对电输出性能的影响,对国内外研究中涂覆、纺纱(加捻、编织和静电纺丝)、针织、机织、非织造等制备方法对纺织品摩擦纳米发电机电输出性能的影响进行了全面评估。总结了纺织品摩擦纳米发电机在改善电子纺织品的能量转换、存储寿命和拉伸性能等方面取得的重要进展。由于纤维/织物的可穿戴设备仍面临着材料和制造技术的限制,导致目前主要依靠实验室制造,材料和制造工艺仍未大规模商业化。最后指出了开发先进的摩擦材料和制造方法以及发展思路。展望了纺织品摩擦纳米发电机的未来发展方向。

基于摩擦纳米发电机的乒乓球落点轨迹与速度识别的研究

随着科技的迅速发展,通过智能传感设备辅助运动成为科学研究的重要发展方向。为了更方便地收集运动员乒乓球训练的数据,对其进行针对性训练,提出了一种基于单电极式摩擦纳米发电机(TENG)的自驱动信息采集装置。该装置由乒乓球拍及表面摩擦层电极层组成,选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为摩擦层制备材料,碳油作为电极层制备材料。同时设计了一种覆盖整个乒乓球拍面的阵列结构,通过收集乒乓球和球拍撞击产生的电信号来获取乒乓球落点和球速等信息,可以在LabVIEW上位机实时显示。经测试其输出电压在乒乓球球速为15 m/s的速度下可达11.2 V,在60 s内为100 nF的电容器充电到12 V,可以作为微型电子设备的电源,为LED灯和计时器供电。

基于静电纺PVDF/GO复合纳米纤维的摩擦纳米发电机的制备和输出性能

为提高基于聚偏氟乙烯(PVDF)的摩擦纳米发电机(TENG)的输出性能,采用静电纺丝法制备PVDF/GO(氧化石墨烯)复合纳米纤维,并组装成垂直接触-分离式TENG,探究GO质量分数对由PVDF/GO复合纳米纤维组成的TENG的输出性能的影响。通过COMSOL软件对TENG的输出性能进行模拟仿真,分析TENG在不同极板距离下的电势和电能密度的变化规律,为TENG的工作原理提供理论支撑。通过扫描电子显微镜对PVDF/GO复合纳米纤维的形貌结构进行表征,并采用数字示波器对基于PVDF/GO复合纳米纤维的TENG的输出性能进行表征。结果表明:当GO质量分数为0.06%时,基于PVDF/GO复合纳米纤维的TENG具有良好的输出效率,其输出电压约为350 V,短路电流约为28μA,在阻抗匹配条件下,最大峰值功率约为9.66 mW,其功率密度约为3.86 W/m2。基于PVDF/GO复合纳米纤维制备的TENG具有良好的输出性能,能为120个发光二极管(LED)供电,因此在能量收集领域具有潜在的应用前景。

基于纤维素材料的摩擦纳米发电机研究进展

近年来摩擦纳米发电机(TENG)发展迅速,在能量收集、人机交互、可穿戴电子、医疗电子等领域有着广泛应用。传统的TENG采用聚合物材料和金属材料制备,它们无法生物降解,难以回收循环利用,会对环境造成污染,因此制备绿色环保的TENG成为了研究热点。纤维素材料以其可降解、可再生、易改性、易加工等优点,促进了环境友好型TENG的发展。简要介绍了TENG的结构组成、工作原理和工作模式,重点总结了纳米纤维素膜、纤维素纸、纤维素气凝胶作为摩擦电材料的TENG研究进展与应用实例,并对纤维素基TENG未来发展进行了展望。

基于摩擦纳米发电机的俘获风致振动能量分析

阐述基于薄膜颤振的摩擦纳米发电机在风能收集中的实际应用,验证引入涡流激励下的薄膜受迫振动稳定性的提升。尾流效应可以提升薄膜振动稳定性和频率,从而提升TENG的发电效能。尾流区的压力流速分布受到圆柱大小的影响。对薄膜振动的仿真,验证了流致振动摩擦发电的可行性。

基于摩擦纳米发电机的多模式触觉传感器研究

触觉对于人类而言,是一种很容易分辨的感觉,但很难通过传感器的数据表征。本文基于摩擦纳米发电机,研制一个多模式触觉传感器。该传感器不仅可实现接触面积、接触位置、接触频率和滑动的检测,而且结构简单,只需一个数据通道就可实现多模式的触觉检测,在电子皮肤和软体机器人应用中,具有较大的潜力,能给予机器人更多元的感知能力。

纤维素基摩擦纳米发电机的应用研究进展

对摩擦纳米发电机(TENG)进行了简单介绍,并介绍了不同纤维素材料在TENG中的作用,总结了纤维素基TENG的优势及优化策略,系统阐述了纤维素基TENG在能量收集、传感器、环境监测、杀菌消毒、空气净化和金属保护等领域中的应用。

非接触式摩擦纳米发电机的最新研究进展

目的 随着科学技术的快速发展,人们对可持续能源的需求不断增加。摩擦纳米发电机(TENG)利用各类微弱机械能实现自供电,有利于缓解这一需求。非接触式摩擦纳米发电机(NC-TENG)可以提高稳定性和使用寿命。总结NC-TENG的最新研究进展,为NC-TENG的结构设计、性能优化提供有益参考。方法 根据NC-TENG的器件结构与输出性能优化方法,介绍不同NC-TENG及其性能,重点综述其在智能包装领域的应用,并对未来的性能优化和应用工作进行展望。结果 基于不同的组装结构,通过介电常数调制、添加电荷捕获中间层等性能优化方案可以有效地避免静电放电问题,提高NC-TENG的电荷保留率。结论 NC-TENG相较于TENG,有着更高的稳定性和更长的使用寿命,在应对能源危机和推动新兴电子产品方面显示出巨大的潜力,预计在智能包装领域有着广泛的应用前景。

水凝胶基摩擦纳米发电机的研究进展

分析了水凝胶作为摩擦纳米发电机(TENG)材料的独特优势,总结了提高水凝胶基摩擦纳米发电机(H-TENG)输出性能的方法。具有柔韧性、导电性、自愈合性和抗疲劳性的水凝胶组装的H-TENG能满足柔性可穿戴电子设备应用需求,生物相容性和降解性使其更贴近绿色能源的发展方向。主要通过制备高导电性、优异机械性能的水凝胶和优化摩擦层的表面特性以最大限度地提高H-TENG输出功率。但控制水分蒸发和结冰对保持H-TENG的机械性能和导电性仍然具有挑战性,也是维持H-TENG输出性能稳定的关键。最后,阐述了目前H-TENG在自供能传感、微纳能源和生物医学等领域的研究进展。

基于兔毛的软接触摩擦纳米发电机

摩擦纳米发电机(TENG)作为一种可以从环境中捕捉细微的能量并转换成电信号输出的新型能源收集研究热点,由于受结构和材料限制,导致其易受机械磨损而输出性能稳定性下降。研制了一种基于兔毛作为软接触材料的摩擦纳米发电机(TENG),并探究了聚四氟乙烯(PTFE)和聚偏二氟乙烯(PVDF)分别作为兔毛摩擦纳米发电(R-TENG)的介电材料时,R-TENG在不同转速(30、60、90和120 r/min)下具有的输出性能。结果表明,PVDF作为介电材料在基于兔毛的软接触配合中,其效果明显优于PTFE。在转速为120 r/min时,基于PVDF的R-TENG输出短路电流与开路电压分别可达3.3μA和873.27 V。将R-TENG在120 r/min转速下连续工作24 h后,得到测试前后短路电流和开路电压的衰减率分别为6%~7%和4.5%~6.5%,验证了基于兔毛软接触的R-TENG具有良好的耐久性,能够在实际应用中大大降低人工维修成本。对R-TENG进行功率匹配,在外部电阻为50 MΩ时,其输出功率可高达0.96 mW。利用R-TENG为电容进行供电实验,0.1μF的电容能够在短时间内充电到2.384 V,验证了以兔毛作为软接触材料时R-TENG的高性能特点,为传感器供电提供策略。