基于有序电纺的各向异性摩擦电纳米发电机及其应用研究

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纤维的结构对纤维的性能起决定性作用,在力学、电学、光学等方面具有独特优势的取向性纳米纤维在生物、医学、光电等研究领域具有很好的发展前景。静电纺丝技术因制备的纤维具有透气性好、比表面积高、材料多样性、孔隙率大等优点,在电子科技、绿色环保、新能源、催化等领域应用前景广泛。通过静电纺丝技术得到的纳米发电机作为一种新型的能量采集转换装置,可以将日常生活环境中采集的各种能量转换为电能,表现出较强的灵活性,可以为小型的独立系统提供动力。本论文主要介绍了基于有序电纺的各向异性摩擦电纳米发电机及其应用研究。首先介绍了各向异性摩擦电纳米发电机。传统的摩擦电纳米发电机(TENG)在电学和力学性能方面具有各向同性,不会随着摩擦层相对摩擦角度的改变而改变。我们通过高速滚筒采用静电纺丝技术获得有序排列的聚合物纳米纤维,得到具有各向异性的TENG(A-TENG),它具有比无序电纺TENG更高的机械强度,而且随着摩擦层相对方向的改变,输出信号发生变化,可用于自供电角度传感器的制备。伪造钞票,产品和文件的行为,不仅侵犯了原创作者的利益,而且还规避了监督,迫切需要有效的防伪措施来制止这种现象的发生。从本质上讲,防伪技术难以复制且易于认证。在这项工作中,利用A-TENG各向异性输出的特性,考虑到沿两个方向的纤维膜外观相同,但输出各向异性,我们将A-TENG用于防伪,通过输出信号来判断传达的真实信息。同时,A-TENG也可以结合二进制编码用于信息加密传输,大大提升了伪造的难度。TENG因具有体积小成本低、低频高效、工作模式多样等优点而被广泛研究。但是,在非工作环境下,TENG摩擦层可能因为偶然因素发生摩擦,表面的电荷积聚而产生的高压会给附近的电路带来静电放电(ESD)的风险。为了解决这一问题,我们改变摩擦基底的结构,设计了凹嵌式A-TENG,提高了A-TENG各向异性,通过调节摩擦层的有效接触面积,使得纵向的输出电压与横向的输出电压相差达到一个数量级。不用时,可以将纳米发电机旋转90°,在不增加额外器件的情况下就可以避免静电荷积聚和电路烧坏的发生。
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