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《兰州大学》 2017年
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复合基压电纳米发电机和摩擦纳米发电机

林安安  
【摘要】:近几十年来,数字信息技术和网络技术得到了飞速的发展,各种便携的移动电子产品在人们的日常生活中得到了广泛的应用,扮演着越来越重要的作用,为了更长时间的工作,便携式电源的需求变得越来越迫切;同时器件已经向着微型化发展,微纳器件已经被应用到很多领域,发挥着越来越重要的作用。传统的化学电池能源,存在着体积大、笨重、需要经常充电、重金属会造成严重的环境污染等问题,同时很难在尺寸上匹配微纳器件。因此寻找环境友好的便携式电源和电源的小型化显得越来越重要,压电纳米发电机和摩擦纳米发电机可以将工作环境中无处不在的各种不同形式的机械能转化为电能,使得这个问题找到了切实有效的解决方案。本论文工作主要包含以下三部分:钛酸钡是一种传统的压电陶瓷,具有高的压电系数,而且由于和环境友好的特性从而吸引了大量研究者们的关注。我们通过溶胶-凝胶法和静电纺丝法制备了结晶性能良好的、多晶的四方相钙钛矿结构BaTiO_3纳米纤维,研究了烧结温度和前驱体中PVP含量对BaTiO_3纳米纤维结构和形貌的影响。制做了基于单个BaTiO_3纳米纤维的柔性压电纳米发电机,并且测试了其在线性马达驱动下的输出性能,最大的短路电流和开路电压分别达到1.33 nA和0.214 V,表明利用溶胶-凝胶法和静电纺丝法制备的BaTiO_3纳米纤维具有优异的压电性能,并且随着应变的增大和应变频率的提升,输出性能也有明显的提高。我们通过水热法合成出超长的钛酸钡纳米线,这种纳米线为四方相结构,并且具有良好的结晶性。利用合成出的钛酸钡纳米线和聚二甲基硅氧烷,我们制作出具有优异输出性能的柔性压电纳米发电机。这种纳米发电机的最大输出电流可达50μA,超过了之前无铅压电纳米发电机的最高纪录,并且其输出能够在不经过储能的情况下时时点亮一个商用红色发光二极管。我们设计了一种多层复合结构作为正极摩擦层,它从表面到电极依次由电荷收集层(CCL),电荷传输层(CTL),电荷存储和阻挡层(CSBL)组成。这种复合结构的设计增加了摩擦纳米发电机正极摩擦层3.7倍的电荷存储密度。当这种多层的复合结构被应用到正负极摩擦层中的时候,摩擦纳米发电机的总电荷存储密度可以提升16.5倍。
【关键词】:纳米纤维 纳米线 摩擦纳米发电机 压电纳米发电机 溶胶-凝胶法 静电纺丝 水热法 钛酸钡
【学位授予单位】:兰州大学
【学位级别】:硕士
【学位授予年份】:2017
【分类号】:TM31
【目录】:
  • 中文摘要3-4
  • Abstract4-8
  • 第一章 绪论8-17
  • 1.1 选题背景8
  • 1.2 压电纳米发电机8-13
  • 1.2.1 压电效应8-9
  • 1.2.2 压电纳米发电机9-10
  • 1.2.3 压电纳米发电机的发展10-13
  • 1.3 摩擦纳米发电机13-15
  • 1.3.1 摩擦起电现象13
  • 1.3.2 摩擦纳米发电机13-14
  • 1.3.3 摩擦纳米发电机的发展14-15
  • 1.4 本文的选题思路及研究内容15-17
  • 第二章 基于单根钛酸钡纳米纤维的柔性压电纳米发电机17-32
  • 2.1 前言17-18
  • 2.2 钛酸钡纳米纤维的合成与表征18-27
  • 2.2.1 实验药品与实验设备18-19
  • 2.2.2 钛酸钡纳米纤维的制备和表征19-24
  • 2.2.3 实验条件对BaTiO_3纳米纤维结构的影响24-27
  • 2.3 单根钛酸钡纳米纤维压电性能的研究27-31
  • 2.3.1 单根钛酸钡纳米纤维柔性纳米发电机的制作27-28
  • 2.3.2 单根钛酸钡纳米纤维柔性纳米发电机的性能测试28-31
  • 2.4 本章小结31-32
  • 第三章 基于钛酸钡纳米线/聚二甲基硅氧烷复合物的柔性压电纳米发电机32-45
  • 3.1 前言32-33
  • 3.2 钛酸钡纳米线的合成与表征33-37
  • 3.2.1 实验药品与实验设备33-34
  • 3.2.2 钛酸钡超长纳米线的合成与表征34-37
  • 3.3 钛酸钡/聚二甲基硅氧烷压电复合材料的制备和表征37-39
  • 3.3.1 钛酸钡/聚二甲基硅氧烷压电复合材料的制备37-38
  • 3.3.2 钛酸钡/聚二甲基硅氧烷压电复合材料的表征38-39
  • 3.4 基于钛酸钡/聚二甲基硅氧烷复合物的纳米发电机的制作39-40
  • 3.4.1 纳米发电机的制作39-40
  • 3.4.2 纳米发电机的极化40
  • 3.5 基于钛酸钡/聚二甲基硅氧烷复合物的纳米发电机的输出性能40-43
  • 3.5.1 钛酸钡纳米线的取向状态对纳米发电机性能的影响40-41
  • 3.5.2 钛酸钡纳米线的含量对纳米发电机输出性能的影响41-42
  • 3.5.3 驱动力对纳米发电机输出性能的影响42-43
  • 3.5.4 纳米发电机输出性能的稳定性测试43
  • 3.6 基于钛酸钡/聚二甲基硅氧烷复合物的纳米发电机的应用43-44
  • 3.7 本章小结44-45
  • 第四章 具有新型摩擦层结构的高性能摩擦纳米发电机45-57
  • 4.1 前言45-46
  • 4.2 摩擦纳米发电机的制备46-48
  • 4.2.1 实验药品与实验设备46-47
  • 4.2.2 实验用中各种溶液的制备47
  • 4.2.3 摩擦纳米发电机的制备47-48
  • 4.3 正极摩擦层的性能研究48-56
  • 4.3.1 纯PVA正极摩擦层中电荷行为分析48-49
  • 4.3.2 电荷存储和阻挡层(CSBL)层引入对正极摩擦层性能的影响49-52
  • 4.3.3 电荷传输层(CTL)对正极摩擦层性能的影响52-54
  • 4.3.4 正极摩擦层中电荷积累和衰减过程研究54-56
  • 4.4 本章小节56-57
  • 第五章 结论与展望57-59
  • 5.1 结论57
  • 5.2 展望57-59
  • 参考文献59-66
  • 在学期间的研究成果66-67
  • 致谢67

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