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煤、石油等化石能源的不断消耗,带来了全球范围内严重的能源短缺和环境污染,开发能够收集清洁可再生能源以保证持续电力供应的新型材料已成为能源和材料领域的研究重点和热点。摩擦材料是一类通过接触分离感应出静电电荷并将其通过外电路导出,可直接将机械能转换为电能的材料。作为一种新型的能源材料,摩擦材料为人类解决能源和环境问题提供了独特的解决方案。迄今为止,传统摩擦电材料已经取得了较为广泛的研究成果,但其制备工艺的复杂性以及制备周期过长等特点极大地限制了其在工业领域的大规模应用,而柔性纤维摩擦发电材料为传统摩擦电材料的进一步发展提供了新的方向。
本文采用湿法成型和表面涂布工艺分别制备摩擦纳米发电机的得失电子层,分析两种工艺对摩擦层性能的影响;制备植物纤维纸基中间层,探究工艺、结构与性能之间的关系;组装各层结构构建纸基柔性复合摩擦纳米发电机,研究外界环境因素对摩擦纳米发电机输出性能的影响规律与机理。主要研究内容如下:
(1)采用湿法成型与表面涂布工艺制备摩擦层材料。湿法成型工艺中,研究了热压压力、温度等对摩擦层材料结构和性能的影响,实验结果表明:失电子层尼龙6纤维纸的最佳热压温度为150℃,压力为15MPa;得电子层聚丙烯纤维纸的最佳热压温度为120℃,压力为15MPa;最佳工艺处理条件下整体输出电压约为19.8V。表面涂布工艺中,研究了涂布浓度、涂布量等对摩擦层材料结构和性能的影响,实验结果表明:尼龙6最佳涂布浓度为8%、尼龙6和聚四氟乙烯溶液涂布纸基材料获得最佳峰值输出电压分别为22.3V和23.6V。比较可知,表面涂布工艺制备的摩擦层材料具有较好的电性能。
(2)以针叶木纤维为原料制备纸基中间隔层材料并对中间层进行了打孔处理,研究纸定量、松厚度、孔间距、孔径尺寸等对中间隔层材料结构和性能的影响。实验结果表明:在真空干燥条件下纸张定量为140g/m2、孔径尺寸为1mm、孔间距为3mm时,可获得12V左右的输出电压,提高中间层的松厚度至5.8cm3/g,可以获得13V左右的峰值输出电压。该纸基中间层保持TENG柔性的同时,赋予TENG结构与电学性能上的稳定。
(3)纸基复合摩擦纳米发电机的组装与性能研究。采用最佳工艺制备的摩擦层材料与中间隔层材料组装成摩擦纳米发电机,采用SEM、显微CT等观察了摩擦纳米发电机各层的形貌与结合程度,并对其进行了电学输出性能测试。研究发现:在4×2cm2尺寸下,发电机的最佳工作频率为1Hz;在50N的条件下测试,发电机的输出电压为15V;发电机在湿度变化前后输出性能基本无衰减,500次循环稳定测试后可保持稳定。本研究得到的摩擦发电机具有较好的柔性和可裁剪性,能够广泛应用于人体检测领域。
本文采用湿法成型和表面涂布工艺分别制备摩擦纳米发电机的得失电子层,分析两种工艺对摩擦层性能的影响;制备植物纤维纸基中间层,探究工艺、结构与性能之间的关系;组装各层结构构建纸基柔性复合摩擦纳米发电机,研究外界环境因素对摩擦纳米发电机输出性能的影响规律与机理。主要研究内容如下:
(1)采用湿法成型与表面涂布工艺制备摩擦层材料。湿法成型工艺中,研究了热压压力、温度等对摩擦层材料结构和性能的影响,实验结果表明:失电子层尼龙6纤维纸的最佳热压温度为150℃,压力为15MPa;得电子层聚丙烯纤维纸的最佳热压温度为120℃,压力为15MPa;最佳工艺处理条件下整体输出电压约为19.8V。表面涂布工艺中,研究了涂布浓度、涂布量等对摩擦层材料结构和性能的影响,实验结果表明:尼龙6最佳涂布浓度为8%、尼龙6和聚四氟乙烯溶液涂布纸基材料获得最佳峰值输出电压分别为22.3V和23.6V。比较可知,表面涂布工艺制备的摩擦层材料具有较好的电性能。
(2)以针叶木纤维为原料制备纸基中间隔层材料并对中间层进行了打孔处理,研究纸定量、松厚度、孔间距、孔径尺寸等对中间隔层材料结构和性能的影响。实验结果表明:在真空干燥条件下纸张定量为140g/m2、孔径尺寸为1mm、孔间距为3mm时,可获得12V左右的输出电压,提高中间层的松厚度至5.8cm3/g,可以获得13V左右的峰值输出电压。该纸基中间层保持TENG柔性的同时,赋予TENG结构与电学性能上的稳定。
(3)纸基复合摩擦纳米发电机的组装与性能研究。采用最佳工艺制备的摩擦层材料与中间隔层材料组装成摩擦纳米发电机,采用SEM、显微CT等观察了摩擦纳米发电机各层的形貌与结合程度,并对其进行了电学输出性能测试。研究发现:在4×2cm2尺寸下,发电机的最佳工作频率为1Hz;在50N的条件下测试,发电机的输出电压为15V;发电机在湿度变化前后输出性能基本无衰减,500次循环稳定测试后可保持稳定。本研究得到的摩擦发电机具有较好的柔性和可裁剪性,能够广泛应用于人体检测领域。