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杠桿式摩擦納米發電機研究獲進展

發布日期：2022-04-14 / 人氣：

摩擦納米發電機通過接觸起電和靜電感應可以廣泛地收集機械能，經過多年發展，摩擦納米發電機在機械能收集和自供電傳感方面展現出廣泛應用。接觸分離模式是摩擦納米發電機常見的工作模式，為了提高接觸分離式摩擦納米發電機的輸出信號，此前研究者做了很多工作。比如，對摩擦層表面進行微結構處理，增加表面電荷密度；針對接觸分離式摩擦納米發電機空間充足的特點，采用多層設計的辦法來增加儲存電荷的面積；通過為摩擦納米發電機增加電荷泵，突破摩擦層最大表面電荷密度的限制。上述策略都是以提高表面電荷量為目的。然而信號的大小不僅與電荷轉移量有關，還和電荷轉移速度有關。

近日，中國科學院力學研究所研究團隊與中科院北京納米能源與系統研究所研究團隊合作，提出了以提高電荷轉移速度為目的的新策略，并開發了接觸分離式的力學杠桿式摩擦納米發電機（圖1）。通過改變力學杠桿比來改變接觸分離速度，在不改變電荷轉移量的情況下也能大幅提高信號輸出。為了適應杠桿獨有的旋轉運動，研究人員將上摩擦層設計成弧形，研究了不同壓縮應變下弧形摩擦層的電學特性和力學特性。當放大倍數從22倍增大到50倍時，杠桿式摩擦納米發電機的電壓信號大小從91 V增加到232 V，最大功率從83 μW增加到1031 μW（圖2）。杠桿式摩擦納米發電機還可以作為自供電脈搏傳感器，在沒有經過表面預處理的情況下得到12.3 V的脈搏信號（圖3）。這項工作展示了一種提高接觸分離式摩擦納米發電機信號的新思路，在提高接觸分離式摩擦納米發電機的能量收集設備和自供電傳感器的信號方面擁有較大潛力。

該工作近期發表在Nano Energy上。

圖1 杠桿式摩擦納米發電機的模型及原理圖。(a)杠桿式摩擦納米發電機的模型；(b)角速度原理圖；(c)摩擦納米發電機的電流原理圖

圖2 杠桿式摩擦納米發電機的電學測量。（a）不同速度下和（b）不同位置下的信號測試；不同放大倍數下的（c）信號圖和（d）信號波形圖；（e）不同放大倍數下的功率圖；（f）22倍和（g）50倍放大下的電壓功率圖

圖3 杠桿式摩擦納米發電機的力學分析及脈搏測量應用展示。（a）杠桿式摩擦納米發電機的力學分析；（b）杠桿式摩擦納米發電機的動力學模型；杠桿式摩擦納米發電機的（c）位移-速度-時間圖和（d）幅度比-固有頻率比圖；杠桿式摩擦納米發電機測量脈搏的（e）實物圖和（f）信號圖；（g）杠桿式摩擦納米發電機測的脈搏信號大小和其他文獻的對比

來源：邦比機電