基于摩擦纳米发电机的静电驱动器件研究

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1、分类号密级单位代号10256学号15107005硕士学位论文DissertationforMaster’sDegree基于摩擦纳米发电机的静电驱动器件研究学位申请人：吴雅莉指导教师：郑莉教授学科专业：动力工程及工程热物理可再生能源科学与工程学位类别：工学硕士所属院系：能源与机械工程学院2018年3月分类号密级单位代号10256学号15107005上海电力学院硕士学位论文基于摩擦纳米发电机的静电驱动器件研究学位申请人：吴雅莉指导教师：郑莉教授学科专业：动力工程及工程热物理可再生能源科学与工程学位类别：工学硕士所属院系：能源与

2、机械工程学院2018年3月摘要基于摩擦纳米发电机的静电驱动器件研究摘要众所周知，摩擦起电是电子从一个物体转移到另一个物体的结果，使两个物体同时带上等量的电荷。对于生活中的人们来说，它的存在就是一种负面影响，尤其是在冬天。然而，正是因为这种效应，美国佐治亚理工学院王中林教授小组发明了摩擦纳米发电机（简称TENG）。基于摩擦起电和电荷感应的原理，TENG可以将环境中的机械能（例如波浪起伏、声音、肌肉的收缩伸展、机械振动等）转化为电能。这种微型发电机是借助接触分离技术，当发生摩擦时，两层聚合物薄膜之间会产生电荷分离，从而形成电势

3、差。此外，TENG的制造工艺简单，成本低，能够大规模生产应用。同时，它具有极好的耐久性和可塑性，可以轻松地与其他器件结合。因此，TENG及其应用是纳米能源的一个重要研究方向。本论文中，我们设计并实现了不同应用范围的TENG。主要研究要点如下：（一）将TENG与静电致动器结合，使其操纵微液滴和微小固体的运动。TENG的机械触发可以在静电致动器内部产生一个非常高的静电场，从而产生库仑力，以驱动静电致动器中的微小物体（液体或固体）。因此，TENG的摩擦运动可以作为静电致动器的驱动2电源和控制信号。一个70cm接触面的TENG装置

4、可以驱动水滴在2cm的间隙内移动。同时，这种自供电静电致动器也可以控制相同电荷极性且成分不同的两个液滴汇合。此外，基于同样的工作原理，该静电致动器还验证了其操纵固体物体的能力（例如一个微小钢球）。通过沿分段环形电极滑动，微小固体可以很好地跟随聚酰亚胺（简称Kapton）薄膜做旋转运动。这种自供电静电致动器的概念具有极好的适用性，适用于各种微型/小型驱动装置、机电系统、人I上海电力学院硕士学位论文机交互等等。（二）基于介电弹性体致动器的可调谐光纤光栅（简称TOGs）和TENG结合，使介电弹性体致动器在TENG的驱动下可以调控

5、光栅周期。因此，可以实现一个自供电TOGs系统，而TENG作为其系统的电源和控制模块。结合TENG独特的输出性能，设计了三种不同结构的TOGs系统，并利用介电弹性体致动器的驱动应变压缩2或扩张光栅阵列的间距。接触面为120cm的TENG,其分离运动可使光栅周期减小16.5%或增加9.4%。一维和二维光栅矩阵都被设计进TOGs系统，从而TENG可控制两种光栅系统实现多功能化调制。同时，该系统可以实现快速、高效、多功能光栅周期的调制，而其问题主要是在有限值下，TENG设备的最大转移电荷会受到很大的抑制。因此，证明了自供电TOG

6、s具有很大的应用前景，例如各种显示系统、光纤传感器、光纤通信等。（三）研究人员已经竭尽全力去追求可穿戴电子产品重量轻和高灵活性，并要求相关的能量收集装置具有超薄的厚度和高伸缩性。因此，我们通过实验提出了一种弹性TENG，可作为人体的第二皮肤。该TENG的总厚度大约为102μm，可以在100%的应变下持久工作。碳脂涂在弹性薄膜表面作为可拉伸电极，从而实现电极的精细几何控制。这种弹性TENG甚至可以在不干扰身体运动的情况下，2在人的手指上工作。接触面积为9cm的器件，其开路电压和短路电流分别可以达到115V和3µA。本文设计了

7、两种具有优化辨识策略的自供电传感器系统，正好验证了这种弹性TENG的应用前景。超薄厚度、高拉伸性和精细控制的优良特性，使其在可穿戴式自供电传感系统、电子皮肤、人造肌肉和软机器人技术领域中有更多的潜在应用。关键词：摩擦发电，自供电，静电驱动，可调谐光栅，传感器。IIAbstractSTUDYONELECTROSTATICACTUATORBASEDONTRIBOELECTRICNANOGENERATORABSTRACTAsweallknow,triboelectrificationistheresultofelectrontr

8、ansferfromoneobjecttoanother,whichcausestwoobjectstocarrythesameamountofchargeatthesametime.Forpeopleinlife,itsexistenceusuallyisakindofnegativeeffect,e