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...     

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...     

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.     

基于变化静电场的非接触式摩擦纳米发电机设计与研究

基于接触生电与静电感应原理的摩擦纳米发电机(TENG)及其自供能传感器在新能源和物联网等领域有重要的应用前景.存在电负性差异的聚合物材料在接触分离过程中,由于电子的转移,在聚合物周围空间会产生变化的静电场,已有的TENG研究中,主要利用垂直于摩擦层和电极层平面的场强产生静电感应,忽略了聚合物周边的电场效应.根据静电感应原理,处于电场中的导体其内部电荷会重新分布,这为导体在与摩擦材料不接触的情况下导体表面产生感应电信号提供了途径.本文设计了一种利用摩擦层周围变化静电场的非接触式摩擦纳米发电机(NC-TENG),研究了硅胶薄膜和丁腈橡胶薄膜在接触分离过程中,导体与摩擦材料的距离、导体感应面积尺寸及导体相对于摩擦材料所处方位等参数对感应电输出性能的影响.结果表明,在与摩擦材料完全分离的情况下, NC-TENG可以产生稳定的电信号输出. NC-TENG的感应电压随着导体与摩擦材料距离的增大而减小,随着导体感应面积的增大而逐渐增大,对于尺寸为30 mm×30 mm的摩擦材料,导体在面积为60 mm×45 mm时NC-TENG的电输出趋于稳定,产生约13 V的开路电压.此外,导体相对于摩擦材料所处...     

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。     

面向高性能摩擦纳米发电机的电介质材料

摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator, TENG)作为微纳电源或自取能传感器近年来在多领域表现出广阔的应用潜力. TENG的输出性能提升与作为摩擦起电层的电介质材料接触起电特性密切相关.本文首先介绍了TENG及其电介质摩擦起电层的相关基础理论和模型;其次,阐述了TENG电介质材料的选材、改性(表面改性、体改性)和结构设计策略,其中表面改性和体改性涉及表面粗糙度控制、官能团调控、电介质材料介电参数优化,在电介质的结构设计方面,重点介绍了电荷传输层、捕获层、阻挡层的原理及通过多层结构来提高TENG介电性能的典型方法;最后,强调了本领域发展面临的挑战和未来发展趋势,为面向高性能TENG的纳米电介质材料开发提供参考.     

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.     

热声驱动液态金属基摩擦纳米发电机研究

热声发电技术作为一种新型的热发电技术,具有可靠性高、效率高、环境友好等优点。2017年本课题组首次提出并验证了"热声驱动摩擦纳米发电机"这一热-声-电换能新流程,为探索新的具有高可靠性、低成本、结构简单且高效的声电转换方式提供了新思路.为进一步提高热声驱动摩擦纳米发电机的输出电压和功率,本文提出并研究了滑动式液态金属基摩擦纳米发电机与气-液谐振驻波热声发动机耦合新构型,并理论计算了气-液谐振驻波热声发动机的工作特性以及滑动式液态金属基摩擦纳米发电机的输出特性。计算结果显示,液态金属液柱的引入可以显著降低热声发动机的谐振频率并提高热声发动机的压力波动振幅,这有利于提高热声驱动摩擦纳米发电机的输出电压和功率。当使用GaIn24.5作为液态金属工质时,单个液态金属基摩擦纳米发电机的开路电压可达到237 V,峰值输出功率可达到23.7μW。     

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.     

基于太阳能收集的宽频螺旋纳米天线设计

基于光的波动性,提出了一种用于太阳能收集的螺旋纳米天线结构,并利用时域有限差分法对其进行分析。该天线结构由两个共面的阿基米德螺旋臂及基底介质组成,分析了天线的辐射效率和极化特性。新的螺旋纳米天线在400~1600nm的波长范围内(占太阳总能量的85%)可获得高达74.49%的总辐射效率,高于先前学者提出的偶极子天线结构。同时,对于不同方向入射的线极化平面波,螺旋天线馈电间隙处可获得同等量级的局域电场增强,表明该天线能够兼顾太阳光的任意极化特性。     

接触电极对压电纳米发电机性能影响的研究

利用低温水溶液法在柔性PET衬底上生长一维氧化锌(ZnO)纳米结构,并采用XRD、SEM等表征手段分别对生长ZnO纳米结构的晶体结构和表面形貌进行表征与分析。在此基础上,研制出一种基于柔性PET衬底的直流压电纳米发电机。为了提高纳米发电机的发电性能,利用镀Au的ZnO纳米棒阵列作为上电极,制备出具有高性能的新型ZnO纳米发电机,成功地实现了稳定的直流输出信号。该纳米发电机的最高输出电流为330nA,足以驱动一些微纳米器件。     

管状NbS2和TaS2纳米结构的合成与摩擦性能

" 利用固相反应方法合成了具有无机类纳米管状结构的NbS2和TaS2纳米管束, 并利用扫描电子显微镜、透射电子显微镜、X射线衍射仪等研究其表面形貌、微观结构和物相组成,探讨了该管状结构的生长机理;利用摩擦学实验机(MT-2300)初步研究了其摩擦学行为． 结果显示所生成的NbS2和TaS2纳米管束,直径约100 nm,长约10 1m．作为润滑油添加剂,在室温大气下摩擦时含NbS2和TaS2的润滑油抗磨性能明显高于无添加的普通润滑油,且含有TaS2的润滑油综合摩擦性能优于含NbS2的润滑油．管状NbS2和T     

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.     

基于太阳能收集的宽频螺旋纳米天线设计EI北大核心CSCD

基于光的波动性,提出了一种用于太阳能收集的螺旋纳米天线结构,并利用时域有限差分法对其进行分析。该天线结构由两个共面的阿基米德螺旋臂及基底介质组成,分析了天线的辐射效率和极化特性。新的螺旋纳米天线在400~1600nm的波长范围内(占太阳总能量的85%)可获得高达74.49%的总辐射效率,高于先前学者提出的偶极子天线结构。同时,对于不同方向入射的线极化平面波,螺旋天线馈电间隙处可获得同等量级的局域电场增强,表明该天线能够兼顾太阳光的任意极化特性。     

机械剥离折叠石墨烯粘附与纳米摩擦性质

本文用原子力显微镜研究了空气和氮气两种不同气氛环境下的机械剥离石墨烯粘附力,发现氮气环境下的粘附力更小,且石墨烯边缘的粘附力比内部区域大.在氮气环境下探究了折叠石墨烯粘附力与层数的关系及其摩擦性能,结果表明粘附力与折叠石墨烯层数无明显关系,折叠石墨烯各区域的摩擦性能都远超二氧化硅基底,且单层、单层上折叠、双层以及双层上折叠区域的摩擦系数依次降低,分别为0.049,0.031,0.023和0.021,摩擦力也依次降低,折叠处由于层与层之间的结合力弱于相同层数的石墨烯,摩擦性能有所降低,但未发现粘附力与摩擦力之间的明显关系.在采用尖针和球针测量粘附力时,测量历史不会对后续粘附力产生明显影响.对空气环境下出现的新鲜折叠石墨烯的研究表明新鲜折叠石墨烯的折叠区域摩擦力较未折叠区域显著增大.     

基于第一性原理的固氦零点振动能的量子理论计算

基于第一性原理,运用原子团簇理论和Hartree-Fock Self-Consistent-Field从头算法计算了高压固氦hcp结构在平衡位置r=1.75-2.6Å附近的原子相互作用能,并使用1stOpt软件拟合出固氦的零点振动频率,得到零点振动能、Gruneisen系数及零点振动压强,最后与实验值做了比较.结果表明：固氦晶体在其各自平衡位置附近的运动可近似为简谐振动;固氦晶体的零点振动频率随着摩尔体积的增大而减小;零点振动能占多体相互总能的比例超过5%,已不可忽略,其比例随摩尔体积的增加而增大;零点振动能随原子间距和摩尔体积的增大而减小;Gruneisen系数随着摩尔体积的增大而增大,并始终处于1和2之间;零点振动引起的压强与实验值曲线趋势完全一致,但比实验值稍小,零点振动压强对总压强的贡献随着摩尔体积的增大由8%增大到50%左右,由此引起的零点振动压强值的贡献越来越大.     

基于第一性原理的固氦零点振动能的量子理论计算

基于第一性原理,运用原子团簇理论和Hartree-Fock Self-Consistent-Field从头算法计算了高压固氦hcp结构在平衡位置r=1.75-2.6附近的原子相互作用能,并使用1stOpt软件拟合出固氦的零点振动频率,得到零点振动能、Gruneisen系数及零点振动压强,最后与实验值做了比较.结果表明:固氦晶体在其各自平衡位置附近的运动可近似为简谐振动;固氦晶体的零点振动频率随着摩尔体积的增大而减小;零点振动能占多体相互总能的比例超过5%,已不可忽略,其比例随摩尔体积的增加而增大;零点振动能随原子间距和摩尔体积的增大而减小;Gruneisen系数随着摩尔体积的增大而增大,并始终处于1和2之间;零点振动引起的压强与实验值曲线趋势完全一致,但比实验值稍小,零点振动压强对总压强的贡献随着摩尔体积的增大由8%增大到50%左右,由此引起的零点振动压强值的贡献越来越大.     

驱动马达与轨道之间纳米摩擦的随机动力学研究

研究了驱动马达与轨道之间纳米摩擦的微观机制.通过基于克拉默斯(Kramers)理论的"键断裂"模型,得到了驱动马达与轨道之间纳米摩擦与马达行走速度之间关系.研究表明我们的理论结果与实验吻合.     

基于压电纳米发电机的柔性传感与能量存储器件

柔性电子与柔性传感器件未来将广泛应用在物联网、可穿戴、可植入系统中,例如人体健康监控、触觉感知人造感官以及智能机器人电子皮肤等.柔性压电纳米发电机的能量转换特性,使其不仅可以作为供能器件,而且可以作为传感器件提供传感信号,可以解决柔性电子与自驱动技术中存在供能与性能的限制.纳米发电机利用调控界面与表面的极化电场可以获得高性能传感与能量存储,提供自驱动特性,同时具有与目前电子技术相媲美的高性能.本文综述了柔性压电纳米发电机在柔性传感与能量存储领域的最新研究进展.     

压电式纳米发电机的原理和潜在应用

纤锌矿结构氧化锌纳米线具有半导体性能和压电效应.用导电的原子力显微镜探针针尖去弯曲竖直生长的氧化锌纳米线,在纳米线的内部和外部分别造成压缩和拉伸,这种独特结构导致了弯曲纳米线的内外表面产生反极性的极化电荷,借助半导体性质的氧化锌纳米线和其金属尖部的肖特基势垒将电能暂时储存在氧化锌纳米线内,并可用导电的原子力显微镜探针接通这一电源,向外界输电,从而完美地实现了在纳米尺度上把机械能转化为电能.该纳米发电机的发电效率可以达到17%—30%,此项重要的科学发现将为自发电式纳米器件奠定物理基础.文章介绍了它的工作原理和潜在应用.