【摘 要】
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随着资源大量消耗和环境压力的增加,探索一种能够将环境中的机械能转化为电能的方法是非常有研究价值的,摩擦纳米发电机（TENGs）作为可在纳米尺度内将机械能转化为电能的装置,为资源及环境的可持续发展奠定了基础。为了提高TENG的输出性能,本论文研究制备了新型智能材料:形状记忆聚乳酸（SMPLA）,通过其形状记忆功能形成不同大小的石墨烯（rGO）微褶皱并用于TENG,构建rGO微褶皱TENG。通过控制S
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随着资源大量消耗和环境压力的增加,探索一种能够将环境中的机械能转化为电能的方法是非常有研究价值的,摩擦纳米发电机（TENGs）作为可在纳米尺度内将机械能转化为电能的装置,为资源及环境的可持续发展奠定了基础。为了提高TENG的输出性能,本论文研究制备了新型智能材料:形状记忆聚乳酸（SMPLA）,通过其形状记忆功能形成不同大小的石墨烯（rGO）微褶皱并用于TENG,构建rGO微褶皱TENG。通过控制SMPLA的形变量来制备不同形貌的rGO微褶皱,使正负极摩擦材料的有效接触面积发生改变,从而大幅提高TENG的输出性能。本论文首先合成了三种不同分子结构的树枝状助剂MT、AMT、EMT,与聚乳酸（PLA）共混使其具备了优异的形状记忆性能,制备SMPLA,对纯PLA及不同SMPLA各性能综合分析,选出最佳助剂及配比。通过TGA测试各SMPLA的热稳定性,DSC测试获得形状记忆形变及回复温度,力学拉伸测得PLA/MT-25（添加25wt%MT的PLA）的断裂伸长率可达670%以上。进行紫外光透过率测试SMPLA透光性,水蒸气透过率测试其透水透湿性,XRD分析了SMPLA在形状记忆过程中的晶体结构变化情况,单向稳态剪切流变测试增塑效果。最后进行了形状记忆性能测试,PLA/MT-25的回复率可达99.2%,回复时间仅0.6s,回复速度是纯PLA的13.5倍,几乎实现瞬间回复。综合对比分析以上SMPLA各方面性能,选择了最佳助剂MT,最佳质量百分比25%,即PLA/MT-25。通过加入MT,改善了PLA力学脆性,增加柔韧性,同时使PLA具备了优异的形状记忆功能,可实现瞬间回复,将生物可降解PLA制备成为了可形状记忆的智能材料。选取最佳形状记忆聚乳酸PLA/MT-25作为基底,旋涂氧化石墨烯（GO）,经HI还原为rGO,制备SMPLA/rGO双层膜结构,通过SMPLA形状记忆性能制备了SMPLA/rGO微褶皱。研究SMPLA/rGO的泊松比问题,并通过ATR-FTIR、拉曼光谱研究了GO还原程度,通过FESEM探究rGO微褶皱的表面结构,随SMPLA形变量增加,微褶皱逐渐变密,波长减小。将SMPLA/rGO微褶皱作为正极摩擦材料,PVDF作为负极摩擦材料,Al为电极,组装构建SMPLA/rGO微褶皱TENG,并测试其输出性能及持久稳定性。随SMPLA形变量增加,TENG输出电流和电压均大幅增加,当形变150%时,其输出电流和电压分别达到60μA和30V,是无褶皱TENG的12倍和6倍,测试其工作一小时输出电信号情况,不论电流还是电压输出都是持久稳定的。最后通过SMPLA/rGO微褶皱TENG为电子表供电使其正常工作,说明本论文设计研究的SMPLA/rGO微褶皱TENG能够为功率较小的可穿戴电子设备供电来保证其正常工作。
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