基于生物相容性材料摩擦电发电机的制备及性能研究

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1、基于生物相容性材料摩擦电发电机的制备及性能研究第一章绪论1.1引言随着能源危机的日渐严峻和环境污染的不断加剧，对绿色可再生能源的需求和探索已然成为维系世界可持续发展的重要问题。在宏观能源方面，人们正在进行着从传统能源过渡到如太阳能、生物能、风能、水能、地热能和海洋能等可代替能源的探索。在微观能源方面，大概只需要微瓦到毫瓦量级功率电源的微/纳米级电子设备，高度集成和多功能电子系统，逐渐成为人们的新需求。特定技术的具体应用范畴决定了该技术所需要的能量，这时开发一种小型绿色能源采集装置已成为当务之急。在生活环境中存在着大量的机械能，如呼吸、血液流动、步行、微风、机械振动、噪声。尽管

2、开发该类机械能的收集技术非常必要，但直到纳米发电机的问世，该类绿色能源并未得到很好的开发利用。在当今的科技领域中，对纳米发电机的研发就是一个对极具潜力的能源收集技术的探索。它的宗旨就是将我们周围生活环境中所存在的机械能收集起来，并将机械能转化成电能为我们所用。纳米系统是由多功能纳米器件集成并由纳米电源提供电力。在纳米系统尺寸和重量日益减小的趋势下，像电池等传统能源可能会阻碍微纳系统的独立、无需维护、可持续运行的工作。为解决这类问题，能量收集技术可以利用包括随机振动、温度梯度及其他任何形式能量,而纳米发电机作为一种能量收集技术可以收集并转换这些能量为电能，进而提供给纳米器件。这

3、样，纳米发电机的出现有可能完全替代传统电池，实现纳米系统中的自驱动技术，为纳米技术中的电力问题提出了一个极佳的解决方案。所以，在科技迅猛发展的时代，对纳米发电机的研究极具实际意义。..1.2纳米发电机的研究进展纳米科技兴起于20世纪后期，作为一个前沿科学技术的代表领域，它日渐成为衡量国家经济发展和国际战略地位的重要因素。如何为已有的纳米器件提供电力基础始终是纳米技术中的关键问题。毕竟对于植入式生物传感器、医用器件、微机电系统、纳米机器人乃至军事应用条件下的传感/监测节点来说，它们的使用环境在极大程度上限制了电源的使用条件。王中林教授首次利用氧化锌纳米线将机械能转化为电能，为这

4、一问题开辟了一条极佳的新思路。由纳米发电机作为纳米电源与纳米器件构建成纳米系统，具有像生物一样的控制、通信、感知以及响应功能，这样的自驱动纳米技术才能使纳米系统得到真正意义上的实现。压电式纳米发电机（PNG）是利用特殊类型的纳米材料（如氧化锌等）将机械能转换为电能，从而为纳米器件提供电力的装置。压电式纳米发电机的发电原理是指在受到外界应变情况下，由于特殊纳米材料的压电效应使纳米线上有压电电势产生，压电势驱动外部负载电路里的电子发生瞬时流动。考虑到独立操作和技术应用，越来越多的研究课题都致力于压电式纳米发电机电输出性能的提高和应用方向的开拓。在材料方面，如ZnO、GaN、CdS

5、、InN等各种半导体压电纳米结构材料，和PbZrTiO3、BaTiO3等具有高压电电荷系数（d33）的绝缘体压电材料已经被广泛地应用于压电纳米发电机的制备，将震动、噪音、雨滴、垂直/平行压力等机械能转换为电能[1-6]。氧化锌作为这类特殊类型的材料，具有最为丰富的纳米结构如纳米线、纳米棒、纳米环、纳米带、纳米弓形结构等，并且这些纳米结构的制备工艺也极为成熟，纳米线可以在多种类型的基底上生长，且能控制生产的密度和长度。除此之外，氧化锌纳米线既有半导体的性质，又有压电性质，可以通过ZnO纳米线将电子性质和机械性质耦合在一起。最后，氧化锌的优势体现在它是一种没有毒性的环保材料，具有

6、相对较高的生物相容性和安全性。.第二章摩擦电发电机的制备及性能测试方法2.1实验材料及设备表2-2为实验中采用的仪器和测试设备，主要电输出性能测试仪器如图2-1所示。DSO-X2014A（InfiniiVision,USA）数字储存示波器：带宽70MHz、100MHz、200MHz，可观察更长时间的信号和更多信号的细节；采样率高达2GSa/s，存储器100kpts，更新速率50,000个波形/秒，具有同档产品中更深存储器和最快波形更新速率；将逻辑分析仪、示波器和Hz带宽；150,000可变增益，AC或DC耦合；100dBCMMR(共模抑制比)，2个可组合信号滤波器；真正的单端

7、或差分输入；交流电或电池供电，RS232接口。SR570（StanfordResearchSystems,USA）是一款电流增益可达1pA/V的低噪声电流前置放大器：5fA/√Hz输入噪声，1MHz最大带宽；测试点可调偏置电压，可变输入偏置电流，高宽带、低噪声和低漂移工作方式；232接口高增益、宽带宽等诸多优点使SR570成为光子多样性测量和低温测量的理想工具。.2.2发电机摩擦薄板的制备实验中使用的聚酰亚胺（Kapton）为市场上买到的0.12mm厚的商用Kapton膜，将Kapton膜剪