基于PDMS薄膜的高性能摩擦纳米发电机研究
杨 平, 汪朋飞
(深圳大学机电与控制工程学院,广东 深圳 518060)
基金项目:国家自然科学基金面上项目(51575359);深圳市基础研究学科布局项目(JCYJ20160427105015701)
作者简介:杨平(1994—),男,硕士研究生,主要研究方向为高性能摩擦纳米发电机, yangping7816@163.com.
通讯作者:汪朋飞,男,副研究员,wangpf@szu.edu.cn.
摘要:摩擦纳米发电机的出现为解决能源危机和环境问题提供了新的手段。通过制备不同石墨烯掺杂量的PDMS薄膜并进行试验,探讨了摩擦副材料、薄膜厚度、石墨烯掺杂量、载荷对石墨烯掺杂PDMS薄膜摩擦发电性能的影响,结果显示,石墨烯掺杂PDMS薄膜具有更高的电输出性能,最高短路电流为3.8 μA,开路电压为129.2 V,相比纯PDMS薄膜分别增加了18倍和2倍,通过人工拍打实验获得305 W/m2的输出功率密度。该研究为高介电常数PDMS薄膜的制备提供了一种新手段。
关键词:摩擦纳米发电机;石墨烯;PDMS薄膜;摩擦发电
中图分类号:TH117 文献标识码:A 文章编号:2095-509X(2021)02-0088-05
随着能源危机和环境污染等问题的日益加剧,新的能源收集方式的开发及利用成为当今社会关注的焦点。摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator,TENG)创造性地利用摩擦运动副的摩擦起电和静电感应耦合效应将无规律的机械能转化为电能,有效解决了当前低频能量收集的难题。自从2012年TENG被发明以来得到了研究人员的广泛关注[1],研究热点集中于提高发电能力与效率[2-3]、拓展应用领域[4]和优化结构设计[5]等方面,且在移动电子设备[6]、传感器网络[7]、自驱动系统[8]和生物医学领域[9]有着广阔应用前景。
摩擦副材料的性能对TENG的应用有着十分重要的影响[10],在摩擦副材料合理选择的基础上对其进行内部改性处理对于TENG实际应用以及纳米能源和自供能系统的研究具有重要意义。聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)是一种高分子材料,具有透明、柔韧和良好的生物相容性,提高PDMS薄膜的介电常数对于提高TENG的性能具有十分重要的意义。研究人员为了改善PDMS薄膜的性能进行了相关研究[11-12],其中一种重要方法是在薄膜制备过程中添加纳米颗粒[13-14],通过间隙的形成提升TENG的电学特性。
石墨烯作为一种性能优良的二维材料,具有较高的介电常数,现已被用于TENG中,体现出了较好的发电性能[15]。为进一步增强PDMS薄膜的摩擦发电性能,本文通过二维材料掺杂方式制备了一种石墨烯掺杂PDMS薄膜,利用接触分离式摩擦发电评价系统探讨了摩擦副材料、薄膜厚度、石墨烯掺杂量及载荷对石墨烯掺杂PDMS薄膜摩擦发电性能的影响,为PDMS薄膜在微纳能源方面的应用提供参考。
1 试验方法
1.1 接触分离式摩擦发电评价系统
如图1所示,自制的接触分离式摩擦发电评价系统由摩擦副装夹系统、水平运动系统、载荷控制系统和电学测量系统4部分组成。其中,摩擦副装夹系统由专用夹具组成,通过夹具固定左右摩擦副材料;水平运动系统由开关电源(S-120-24)、步进电机(57BYG250B)、步进电机驱动器(TB6600)、直线模组(FSL40E10005C7)和滑块等5部分组成,通过电机驱动左摩擦副材料做往复直线运动;载荷控制系统由金属接近开关(SNO4-N)、压力传感器(HZC-30A)和压力显示器(HZC-800)等3部分组成,通过金属接近开关控制摩擦副接触时的载荷(5~180 N);电学测量系统由电流放大器(Stanford SR570)和静电计(Keithley 6517B)组成,分别用于测量左右摩擦副接触时的时短路电流和开路电压。实验中单次采样时间为稳定信号时间段的60 s,接触分离周期约6 s,每组实验测试3次, |