基于织构表面的摩擦静电发电机制备及其输出性能研究

摩擦电纳米发电机(TENG)是基于摩擦生电和静电感应复合原理将机械能转换为电能的一种新型能源获取方式. 本文采用模板法制备了几种不同参数的聚二甲基硅氧烷(PDMS)微圆柱结构, 并组装成TENG, 实验研究了接触区表面积、外加载荷对TENGs输出性能的影响. 结果表明, 圆形微柱阵列的存在有效提高了TENG的作用面积及电输出性能, 相同载荷下, 电输出随微柱间距离减小而增加, 在间距为15 μm、载荷为5 N时, 输出的平均开路电压和短路电流分别为88 V 和15 μA, 是同等条件下、微柱间距为50 μm电输出的1.5倍以上; 电输出随载荷增加呈准线性增加, ANSYS软件模拟载荷作用下PDMS微圆柱织构的变形行为, 结果表明, 压力作用下, 微圆柱主要发生压缩变形, 基底的变形导致微柱与上电极之间产生侧向摩擦, 从而产生更多电荷, 提升了电输出性能.     

从物联网时代的高熵能源到迈向碳中和的蓝色大能源——接触起电的物理机理与摩擦纳米发电机的科学构架

能源,人类活动的重要物质基础。人类社会的发展离不开优质能源的出现和先进能源技术的使用。然而,随着人们进入物联网、人工智能时代,传统的从发电厂传输到公共事业单位等固定站点的"有序"电力供给方式已难以满足无处不在的物联网分布式电子设备"随机、高熵"性的能源需求。摩擦纳米发电机,以麦克斯韦位移电流为内在驱动力,可以有效地将不规则、低频和分布式的机械能转化为电能,它利用接触起电和静电感应的耦合效应,具有重量轻、成本效益高且易于扩展的显著特点。与通常的机械能收集技术,即电磁发电机相比,摩擦纳米发电机在低频(通常为0.1—3 Hz)下具有比电磁发电机更高的效率和输出性能。此外,摩擦纳米发电机还可用作自供电传感器,使用其电输出信号主动检测由机械扰动引起的动态过程。这些优势使得摩擦纳米发电机在低频环境能量收集上具有广阔的应用前景,例如它可以收集人体运动的能量为小型电子设备供电,还可以收集大范围海洋波浪能等可再生的蓝色能源,助力实现碳中和的伟大目标。     

基于COMSOL模拟的球形摩擦纳米发电机的发电特性

通过COMSOL Multiphysics有限元模拟软件,研究了以铝片和聚四氟乙烯(PTFE)小球为材料的球形摩擦纳米发电机的发电过程和发电特性.通过合理设置参量,模拟球形摩擦纳米发电机发电过程中空间电势的变化情况,显示了电荷被驱动的过程;通过控制变量法,研究了该球形摩擦纳米发电机的开路电压对PTFE小球的数目和尺寸、铝片的数目等因素的依赖关系.研究结果表明:三维球形摩擦发电机可以搜集全方位的机械能,小球在球壳内部空间位置的运动,导致连接不同铝片的电路中的电荷转移,从而引起空间电势的改变,产生交流电信号,即把小球运动的机械能转化为电能.不同铝片之间的开路电压随小球半径的增大、小球数目的增加或铝片数目的增加都呈现出先增加后减小的变化规律.     

基于纳米发电机的触觉传感在柔性可穿戴电子设备中的研究与应用

柔性可穿戴电子设备因其在人工智能、健康医疗等领域的应用而受到了人们的极大关注.然而,如何降低功耗或实现自供能一直是阻碍其广泛应用的瓶颈.随着纳米发电机与自驱动技术的兴起,尤其以摩擦纳米发电机(TENG)与压电纳米发电机(PENG)代表的研究,为解决可穿戴传感器电源的问题提供了可行的方案. TENG和PENG分别基于摩擦起电效应与压电效应,可以将机械能转化为电能,同时具备可拉伸性、生物相容性和自愈性等优良特性,已经广泛应用于自驱动的触觉传感器的设计制备中,并作为下一代可穿戴电子设备的技术基础展现出巨大的应用潜力.基于该领域的最新进展,本文对TENG与PENG的机理进行概述,对其性能优化途径进行归纳,再结合材料、器件的设计等讨论应力应变与分布、滑移等纳米发电机自驱动传感器的制备与应用研究.最后,对自驱动触觉传感器目前存在的问题与挑战进行讨论,并对未来的发展进行展望.     

钛酸钡介电调控提升纸基摩擦纳米发电机输出性能

摩擦纳米发电机作为一种能够将机械能转换为电能的新型能源转换装置,自发明以来便引起了广泛关注,然而其环保性能由于原料来源多为合成高分子材料而受到制约.采用绿色环保的纤维素材料制备摩擦纳米发电机是解决上述问题的重要方式之一.本研究以竹纤维素和钛酸钡(BaTiO₃)为原料,结合湿法造纸和掺杂改性制备了纤维素/钛酸钡复合纸,并将其作为正极摩擦层构建了纸基摩擦纳米发电机(cellulose/barium titanate-triboelectric nanogenerator,C/BT-TENG).结果表明,BaTiO₃的加入显著提升了复合纸的相对介电常数,C/BT-TENG的输出性能随着BaTiO₃掺杂量增加而提升,在4%掺杂量时,C/BT-TENG的开路电压和短路电流达到最大值118.5 V和13.51μA,相比纯纤维素纸作为正极摩擦层时,分别提升了51.3%和41.2%.通过模型法分析了介电调控提升C/BT-TENG输出性能的机理.此外,C/BT-TENG具有良好的输出性能和工作稳定性,在负载电阻为5 MΩ时,其获得最大输出...     

热声驱动摩擦纳米发电机研究

热声发动机作为一种新型的外燃式热机,具有可靠性高、使用寿命长、环境友好等优点,在热声发电、热驱动制冷等领域具有重要应用前景。本文结合热声技术和摩擦纳米发电技术的特点,首次提出了"热声驱动摩擦纳米发电机"这一热-声-电换能新流程。理论计算了驻波热声发动机和接触分离式摩擦纳米发电机采用末端耦合结构时的换能特性,并开展了系统实验研究。实验中,热声驱动摩擦纳米发电机获得了最高10 V的开路电压输出;在外接电阻为400 MΩ时,最高输出功率为0.008μW,验证了"热声驱动摩擦纳米发电机"这一概念的可行性。     

用于风能和海洋能收集的摩擦纳米发电机研究进展

风能和海洋能是自然界中分布最广泛的可再生清洁能源,其高效转换和利用有望解决目前人类社会面临的严峻能源挑战.但是,由于传统发电技术的各种限制,这2类能源的开发目前在全球仍处于初级阶段.摩擦纳米发电机是一种新兴的能源转换技术,具有成本低、选材广、结构灵活、轻质便携等优点.近年来,摩擦纳米发电机在低频且无规则的机械能转换方面表现出独特优势,从而在风能和海洋能发电领域展现出巨大的应用前景.该文介绍了摩擦纳米发电机的基本工作原理和理论模型,详述了其在风能和海洋能收集方面的代表性结构设计和能量转换机理,列举了最新研究进展,分析了仍然存在的问题,并展望了未来的发展方向.     

基于摩擦纳米发电机的可穿戴能源器件

随着电子器件向着小型化、功能化的方向迈进,可穿戴电子器件受到越来越多的关注,但是可穿戴电子器件的能源供给问题目前仍亟待解决.基于摩擦起电与静电感应耦合效应的摩擦纳米发电机具有成本低、选材广、柔性等特点,可以收集人体的低频、不规律能量并高效地转化为电能,在可穿戴带能源器件领域有着巨大的发展潜力.本文将首先介绍摩擦纳米发电机的四种基本工作模式以及摩擦起电机理的最新研究,然后从贴敷于人体皮肤的直接式能源收集与附着于衣物、鞋子等人体附属物的间接式能源收集两个部分详细综述基于摩擦纳米发电机的可穿戴能源器件的研究进展.最后,对用于驱动电子器件的能量管理模块进行系统介绍,分析讨论目前可穿戴能源器件发展中的问题和瓶颈,探讨未来的发展方向.     

高功率大电荷量重复频率气体开关实验研究

 在自行研制的纵吹式场畸变型气体开关上，开展了大电流、大电荷传递量重复频率实验研究，已实现的开关最大工作参数为：电压100kV，电流85kA，电荷传递量0.6C/脉冲,重复频率10Hz，单脉冲能量5kJ。结果表明，气流流速、电极烧蚀及绝缘筒污染对开关重复频率和工作寿命有较大影响。     

基于电磁耦合机构的非接触电能传输系统

基于非接触电能传输技术的研究,设计了非接触电能传输系统的供电机构、耦合机构和受电机构三大基本模块。对系统的整流滤波和高频逆变电路进行了仿真实验,整流输出电压波动小于6%,谐振逆变电路输出信号频率达1000Hz以上。采用低频信号发生器作为供电机构对系统进行了性能测试,给出了500Hz下的空气间隙与电压传输效率的实验关系曲线,随空气间隙增大,电压传输效率降低。     

基于涡激振动的压电能量收集特性数值研究

本文设计了一种基于涡激振动的流体动能收集装置。该器件主要包括钝体和PVDF(Polyvinylidene Fluoride)压电悬臂梁,涡街的交替脱落引起梁发生振动,通过压电效应将振动能量转为电能.基于流固耦合计算对该结构压电能量收集特性,以及压电悬臂梁的升阻力系数、振幅和频率等特性进行了数值分析,并着重研究圆柱型钝体与PVDF压电悬臂梁的位置对装置发电效率的影响。结果表明,圆柱与悬臂梁直接相连(即L=0.5D)会得到较高电压输出,在雷诺数Re=6000时,振幅峰值为A=0.97D,输出电压峰值达到0.923V。     

静电式同位素辐射能量收集器的研究

针对目前无线传感网络节点对长寿命微能源的需求,提出了将同位素辐射能量转换为电能的静电式振动能量收集原理.该原理利用同位素63Niβ辐射能实现平行板悬浮-质量块结构的自由阻尼振动,并通过可变电容电路实现充-放电振荡循环,从而实现电能的转换.通过分析运动状态和能量转化过程,给出了结构的运动状态和能量输出方程,并使用Matlab/Simulink对输出特性进行了数值模拟和基于Ansys的结构优化设计.根据仿真和优化的结构尺寸设计出了满足最大平均输出功率的微电子机械器件结构.结果表明:所设计的结构在一阶固有频率为500 Hz,两极板间距离为75μm,外接电阻为90 k?时平均输出功率最大为0.416μW,转化效率8.25%.     

重频XeF蓝绿激光技术

 利用表面放电光泵浦技术,研制了重频XeF(C-A)激光器,运行频率达到10 Hz。研究了运行频率、气体流量对激光输出能量稳定性的影响,分析了影响输出稳定性的主要因素,实验结果表明,提高气流量可有效改善重频输出能量的稳定性。同时,还给出了优化实验条件下不同运行频率连续20个脉冲较为理想的输出结果。运行频率分别为1,2,5 Hz时,输出能量稳定性较好,输出能量大于4.0 J;气流量大于53 L/s时,10 Hz重频运行的输出稳定性已显著提高,平均输出能量也达到1.8 J。     

通过机器学习实现基于摩擦纳米发电机的自驱动智能传感及其应用

在物联网时代,如何开发一种可持续供电、部署方便且使用灵活的智能传感器系统成为了亟待解决的难题..以麦克斯韦位移电流作为驱动力的摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)可直接将机械刺激转化为电信号,因此可作为自驱动传感器使用.基于TENG的传感器拥有结构简单、瞬时功率密度高等优点,为构建智能传感器系统提供了重要手段.同时,机器学习作为一种成本低、开发周期短、数据处理能力和预测能力强的技术,对TENG产生的大量电学信号处理效果显著.本文梳理了基于TENG的传感器系统通过采用机器学习技术进行信号处理和智能识别的最新研究进展,从交通安全、环境监测、信息安全、人机交互和健康运动检测等角度出发,概述了该研究方向的技术特点与研究现状.最后,深入讨论了该领域当前存在的挑战和未来的发展趋势,并分析了未来如何改进以期开拓更广阔的应用空间.我们相信机器学习技术与TENG传感器的结合将推动未来智能传感器网络的快速发展.     

甲烷-空气最小点火能与耦合系数的计算及应用

针对一种可以用于检测非金属制品在矿井下工作安全性的静电火花检测系统,研究了计算该系统中甲烷-空气引爆的最小点火能量的数学物理模型。并根据该检测系统的结构,提出了点火系统点火前后的电磁能量计算方法。通过计算系统点火前的电磁能量与最小点火能量,计算出检测样品被粉尘摩擦后的带电量,得出了点火能量耦合系数阈值与电荷阈值。结果表明,点火能量耦合系数阈值随电压升高而减小,随电极间距的增大而增大。以静电检测系统为例,当电极间距由1mm增大到5mm时,耦合阈值从0.416 3增加到0.769 1。同时,电荷阈值亦随电极间距增大而增大。研究结果可为进一步检测材料摩擦起电属性以及制定相关安全标准提供参考。     

基于单极性驻极体薄膜的振动能俘获研究

利用电晕充电方法成功制备了单极性交联聚丙烯(IXPP)驻极体膜,并设计、制备了基于该驻极体膜的振动能量采集器.通过表面电位的测量,研究了IXPP驻极体膜的电荷储存稳定性;通过测量振动能量采集器样品的准静态和动态电荷灵敏度,考察了能量采集器的机电耦合性能,研究了能量采集器在{3-3}模式下对环境振动能的俘获.结果表明,用-13 kV的电晕电压与-2.0 kV的栅极电压给单面镀铝电极的IXPP样品充电,在实验室环境下放置15天后获得-680 V稳定的表面电位;利用准静态方法测量器件样品的电荷灵敏度,在1.3 kPa压强下,样品的准静态电荷灵敏度M高达1800 pC/N;对于有效面积为13 cm~2的能量采集器,当振子质量为42.2 g,在共振频率70 Hz处,样品在最佳负载电阻80 M?附近的输出功率为5μW.     

CdnSen（1≤n≤12）团簇结构与电子性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对CdnSen（1≤n≤12）团簇的几何结构进行优化,并对其能量、频率以及电子性质进行了模拟分析. 结果表明, 当n=1～3时,团簇的最低能量结构是平面结构, Cd-Se键长是影响硒化镉团簇总能量的重要因素;当n=4～12时,团簇的最低能量结构可以看成是由Cd2Se2和Cd3Se3团簇的最低能量结构连接而成的三维结构,而Se-Cd-Se键角是影响硒化镉团簇总能量的主要因素. 随着团簇尺寸的增大,转移的电荷逐渐增加,转移的电荷量有达到块体中电荷值的趋势. 团簇的总能量二阶有限差分,平均结合能以及最高已占据轨道和最低未占据轨道的能隙都显示团簇的幻数为n=3,6和9.     

CdnSen（1≤n≤12）团簇结构与电子性质的第一性原理研究

采用基于密度泛函理论的第一性原理方法对CdnSen（1≤n≤12）团簇的几何结构进行优化,并对其能量、频率以及电子性质进行了模拟分析. 结果表明, 当n=1～3时,团簇的最低能量结构是平面结构, Cd-Se键长是影响硒化镉团簇总能量的重要因素;当n=4～12时,团簇的最低能量结构可以看成是由Cd2Se2和Cd3Se3团簇的最低能量结构连接而成的三维结构,而Se-Cd-Se键角是影响硒化镉团簇总能量的主要因素. 随着团簇尺寸的增大,转移的电荷逐渐增加,转移的电荷量有达到块体中电荷值的趋势. 团簇的总能量二阶有限差分,平均结合能以及最高已占据轨道和最低未占据轨道的能隙都显示团簇的幻数为n=3,6和9.     

二次升压的重复频率脉冲电源

介绍一种采用脉冲变压器二次升压工作方式实现高电压脉冲输出的设计电路，电路的主要特点是可以对电容负载实现快速充电，通常其充电时间可控制在几百纳秒内。由于在电路中的开关器件为氢闸流管和磁压缩装置，因此系统具有千赫兹的连续重复频率工作能力。目前，以这种方式工作的重复频率脉冲电源系统，脉冲调制过程的能量传输效率大于70％，输出脉冲电压大于600kV，连续重复频率大于100Hz.     

用于暗物质探测实验的CsI(Tl)晶体探测器性能的实验研究

在直接测量暗物质的实验中,反冲核能量的Quenching Factor是一个重要参数.用低能X射线源对一套测量入射中子引起的反冲核能量Quenching Factor的系统进行了能量刻度,得到了这套系统的能量响应关系.PMT单光电子的发射对应于晶体中的能量沉积约为0.32keV.同时研究了不同能量的X射线引起的PMT输出电流信号的积分时间宽度与积分电荷的关系,得到最佳的PMT输出电荷收集条件.