發(fā)布時間：2020-05-31 09:39

【摘要】：自2012年摩擦納米發(fā)電機(Triboelectric nanogenerator,TENG)被首次報道以來,由于TENG將機械能轉化為電能的特點,以及產(chǎn)生的電信號在外加機械力作用下良好的可調(diào)節(jié)性,使其在兼具能源器件和無源應力傳感器應用方向上具有巨大的應用前景,因此基于TENG的可穿戴健康監(jiān)測產(chǎn)品得到了快速的發(fā)展。盡管如此,基于TENG的可穿戴健康監(jiān)測產(chǎn)品仍面臨以下問題:(1)輸出功率不足以滿足應用需求。現(xiàn)有的TENG由于所用材料、器件結構等諸多因素,依然需要進一步的改善和提升。(2)功能較為單一。現(xiàn)有的TENG在人體健康檢測中的應用多集中于人體本身的應力傳感功能。忽略了對于人體熱管理、人體所處環(huán)境等因素的檢測。(3)服用性不高。對于可穿戴人體健康檢測器件,長時間的監(jiān)測穿戴是十分必要的�，F(xiàn)有的TENG器件往往為了追求高輸出和功能性而忽略了服用性。如何與服裝更好地集成,在保證器件功能性與持久性良好的條件下,實現(xiàn)可穿戴器件的高柔性、拉伸性以及透氣性依然是研究的難點。針對以上問題,本論文將通過對不同發(fā)電機理的深入探討;選用功能性材料、引入新的電極材料;采用簡單便捷且具有普適性的制備方法及設計巧妙的集成結構,實現(xiàn)提高TENG的輸出功率的同時集多功能性與優(yōu)良服用性為一體。具體研究內(nèi)容如下:(1)將摩擦電與壓電效應相結合,制備全纖維摩擦電-壓電混合器件。采用靜電紡絲的方法,在導電織物表面分別制備了分布均勻的蠶絲蛋白(直徑:280 nm)和聚偏氟乙烯(PVDF)納米纖維(直徑:160 nm)。其中,PVDF既是摩擦材料也是壓電材料。在外力按壓器件時,不僅能夠得到摩擦電信號,同時也收集PVDF變形所產(chǎn)生的壓電信號。通過有限元分析以及輸出電壓測試,調(diào)控了摩擦電與壓電效應的增益結合。器件具有良好的透氣性和可裁剪性,我們將其穿戴于人體,實現(xiàn)自供能動作實時監(jiān)測與跌倒警報。(2)通過層層包覆的方法,制備了由內(nèi)向外依次為尼龍織物、銀納米線網(wǎng)絡、聚二甲基硅氧烷以及十三氟辛基三乙氧基硅烷的柔性TENG器件。器件表面接枝氟硅烷單分子層,將其輸出電壓提高約10倍。該方法操作簡單快捷,無需昂貴的設備,具有普適性。銀納米線網(wǎng)絡的引入不僅能起到集流體作用,也可充當人體輻射紅外線的阻擋層,達到比普通衣物更加保溫的效果,同時可作為隨身柔性加熱器使用。該器件集產(chǎn)能、保溫和加熱的功能于一體,實現(xiàn)對人體熱能管理。(3)選取UV和IR光敏材料氧化鋅和石墨烯集成為典型垂直結構的TENG,從而將TENG應用范圍拓展到光檢測領域。通過實現(xiàn)機械能-電能轉變和光熱能-電能轉變,分別為紫外和紅外光檢測供能,達到自供能多重光檢測的功能,實現(xiàn)對人體周圍環(huán)境的光線監(jiān)控。器件在紅外光區(qū)域的光響應度達到0.25 A/W,紫外光區(qū)域光響應度為0.29 mV/W。(4)引入凝膠離子導體作為電極材料,克服TENG器件拉伸性不高的難題,器件可以拉伸到原長度的200%,能夠更好地貼合肌膚或服裝。同時,器件在不同拉伸率下輸出不同的電信號,達到自供能拉伸率檢測的目的。采用靜電紡絲法制備有取向的聚偏氟乙烯納米纖維膜,在檢測拉伸率的同時能夠識別拉伸方向。這種器件有潛力應用于人機交互、人工智能及健康監(jiān)測等多個領域。
【圖文】：

圖 1-2 三種常用的不同的 TENG 工作模式示意圖。[30]Figure 1-2 The three common modes of triboelectric nanogenerators.[30]觸-分開式 TENG方向接觸-分開式 TENG 是應用最為廣泛的一種模式[24,50]。如兩種背面鍍有電極的材料組成，將兩個電極連接加載電阻即形料表面因施加外力在垂直方向上接觸時，由于摩擦起電效應，等量且相反的電荷。此時，整個系統(tǒng)處于電平衡的狀態(tài)，外電。兩個表面在外力作用下而逐漸分開的過程中產(chǎn)生了電勢差，由一端流向另一端而保持系統(tǒng)的電中性。當兩個表面再次接觸回，產(chǎn)生相反的電流。因此，在兩個表面不斷重復接觸-分開過產(chǎn)生持續(xù)的交流電信號。此種形式的 TENG 能夠充分收集摩，得到較高的輸出性能，適合應用于能量收集。動式 TENG

這個結論已經(jīng)被諸多研究所驗證，如王中林團隊將 PET，聚酰亞胺 (K聚氯乙烯 (PVC) 三種薄膜進行兩兩組合，，設計了三種 TENG，并將其輸與電流進行對比 (圖 1-3)[27]。在材料表面形貌相似的情況下，Kapton 與 P摩擦序列中的位置相隔很近，即具有相似的電負性，電子交換數(shù)量很少導合制備的 TENG 輸出電能最小。而 PET-Kapton 和 PET-PVC 的所處位置很負性差異很大，電子交換數(shù)量多，摩擦電勢高，因此能有較高的輸出電能
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TH77;TB383.1

【參考文獻】

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1 潘春旭;李偉平;張豫鵬;余超智;黎德龍;;基于納米材料與納米結構的納米電源研究進展[J];無機材料學報;2014年09期

本文編號：2689657