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用于脉搏监测的具有超高输出的杠杆式摩擦纳米发电机研究

作者:苏业旺 2022-04-11 11:10 来源:
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  摩擦纳米发电机通过接触起电和静电感应可以广泛地收集机械能,经过一些年的发展,摩擦纳米发电机在机械能收集和自供电传感方面展现出了广泛的应用。接触分离模式是摩擦纳米发电机最基本最常见的工作模式,为了提高接触分离式摩擦纳米发电机的输出信号,之前的研究者做出了很多工作,比如,常见的是对摩擦层表面进行微结构处理,这样可以增加表面电荷密度。针对接触分离式摩擦纳米发电机空间充足的特点,人们也会采用多层设计的办法来增加储存电荷的面积。最近还有一种新颖的方式,是通过为摩擦纳米发电机增加电荷泵来突破摩擦层最大表面电荷密度的限制。上面提到的策略都是以提高表面电荷量为目的。然而信号的大小不仅与电荷转移量有关,而且还和电荷转移速度有关。 

  近日,力学所非线性力学国家重点实验室研究团队与中国科学院北京纳米能源与系统研究所研究团队合作,提出了以提高电荷转移速度为目的的新策略,为提高信号提供了新的路径,并开发了接触分离式的力学杠杆式摩擦纳米发电机(如图1所示)。通过改变力学杠杆比来改变接触分离速度,在不改变电荷转移量的情况下也能大幅提高信号输出。为了适应杠杆独有的旋转运动,将上摩擦层设计成弧形,研究了不同压缩应变下弧形摩擦层的电学特性和力学特性。当放大倍数从22倍增大到50倍时,杠杆式摩擦纳米发电机的电压信号大小从91 V增加到232 V,最大功率从83 μW增加到1031 μW(如图2所示)。杠杆式摩擦纳米发电机还可以作为自供电脉搏传感器,在没有经过表面预处理的情况下得到了12.3 V的脉搏信号,远高于其他文献(如图3所示)。这项工作展示了一种提高接触分离式摩擦纳米发电机信号的新策略,在提高基于接触分离式摩擦纳米发电机的能量收集设备和自供电传感器的信号方面有着巨大潜力。 

  该工作近期发表在国际权威期刊Nano Energy https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107159)。论文第一作者是在读博士生张懋熠,苏业旺研究员和中科院北京纳米能源与系统研究所杨亚研究员为共同通讯作者。该工作得到了国家自然科学基金委、中国科学院从01原始创新计划和中国科学院交叉学科创新团队和中组部WRQB人才计划等项目的支持。 

   

   

  

  1杠杆式摩擦纳米发电机的模型及原理图。(a)杠杆式摩擦纳米发电机的模型;(b)角速度原理图;(c)摩擦纳米发电机的电流原理图。 

   

   

  2 杠杆式摩擦纳米发电机的电学测量。(a)不同速度下和(b)不同位置下的信号测试;不同放大倍数下的(c)信号图和(d)信号波形图;(e)不同放大倍数下的功率图;(f22倍和(g50倍放大下的电压功率图。 

   

   

  3 杠杆式摩擦纳米发电机的力学分析及脉搏测量应用展示。(a)杠杆式摩擦纳米发电机的力学分析;(b)杠杆式摩擦纳米发电机的动力学模型;杠杆式摩擦纳米发电机的(c)位移-速度-时间图和(d)幅度比-固有频率比图;杠杆式摩擦纳米发电机测量脉搏的(e)实物图和(f)信号图;(g)杠杆式摩擦纳米发电机测的脉搏信号大小和其他文献的对比。 

 

 

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