【摘 要】
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随着柔性电子领域的迅速崛起与发展,分布式能源的重要性日益增加。摩擦纳米发电机作为一种典型分布式能源,有着器件结构简单、可持续性好以及低频下高效率收集周围机械能的优点。与纺织品结合形成的摩擦纳米发电织物,通常有着粗糙的表面,对提升摩擦纳米发电机的输出性能是有利的。然而摩擦纳米发电织物也存在着输出功率较低、摩擦材料表面电荷密度低及容易出现空气击穿现象等问题,并且现阶段采用的摩擦材料很多是致密的薄膜,透
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随着柔性电子领域的迅速崛起与发展,分布式能源的重要性日益增加。摩擦纳米发电机作为一种典型分布式能源,有着器件结构简单、可持续性好以及低频下高效率收集周围机械能的优点。与纺织品结合形成的摩擦纳米发电织物,通常有着粗糙的表面,对提升摩擦纳米发电机的输出性能是有利的。然而摩擦纳米发电织物也存在着输出功率较低、摩擦材料表面电荷密度低及容易出现空气击穿现象等问题,并且现阶段采用的摩擦材料很多是致密的薄膜,透气性差,无法满足服装穿戴舒适性的要求。鉴于以上这些问题,本论文借助静电纺丝工艺以及外电路管理的策略,提出了一种基于电荷激励的摩擦纳米发电织物的构建方法,在保持较满意的穿戴舒适性下,尽可能提高摩擦纳米发电织物的输出性能。具体研究内容如下:（1）使用静电纺丝技术制备聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）（P（VDF-TrFE））-聚乳酸（PLA）摩擦纳米发电织物。在静电纺丝时间为4 h的条件下,制备的P（VDF-TrFE）-PLA摩擦纳米发电织物,通过结合电荷激励电路,可有效避免静电击穿现象,输出功率密度提升至2.25W/m2,转移电荷量稳定在250 n C,最大短路电流为20μA。对织物进行穿戴舒适性评价,发现基于P（VDF-TrFE）和PLA纳米纤维膜的织物透气度均超过商用棉织物;同时,对其水蒸气透过率进行测试,发现与商用棉织物的水蒸气透过率较为接近。（2）为进一步提升输出性能,对P（VDF-TrFE）-PLA摩擦纳米发电织物结构进行调整,主要包括使用冷压力处理纳米纤维膜以及构筑中间层SEBS。当对PLA纳米纤维膜施加压力增大到5 MPa时,和对P（VDF-TrFE）纳米纤维膜压力为2 MPa时,此时输出性能最佳,输出功率密度能达到6 W/m2。同样,构筑中间层苯乙烯-乙烯/丁烯-苯乙烯共聚物（SEBS）纤维膜也能达到增强电荷激励摩擦纳米发电织物的输出性能目的。将SEBS纺丝时间控制在30 min时,制得的器件输出性能达到最大,此时输出功率接近7 W/m2,电荷转移达400 n C,且输出信号较为稳定。对这些织物进行穿戴舒适性评价,发现经过冷压力处理的P（VDF-TrFE）-PLA纳米纤维膜虽然透气性有所下降,但略高于商用棉织物,在水蒸气透过率上持平;在P（VDF-TrFE）纳米纤维膜下构筑SEBS中间层,透气率也会降低,水蒸气透过率基本保持不变。（3）完成了基于电荷激励摩擦纳米发电织物电子系统的集成。将电荷激励摩擦纳米发电织物与服装及鞋垫结合,收集人体产生的机械能为各个用电器供能,其中包括点亮电致发光片、为商用电容器充电、驱动电子手表以及为LED灯珠供电等,为构建能源服装提供了较为可行的方案。
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