東華大學(xué)導(dǎo)入PDMS-100型摩擦納米發(fā)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

  東華大學(xué)(Donghua University)，地處上海市，是教育部直屬全國(guó)重點(diǎn)大學(xué)，國(guó)家、"211工程"建設(shè)高校，入選國(guó)家“2011計(jì)劃"、"111計(jì)劃"[206]、工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃、大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計(jì)劃、中非高校20+20合作計(jì)劃、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃、新工科研究與實(shí)踐項(xiàng)目[157]、新農(nóng)科研究與改革實(shí)踐項(xiàng)目、新文科研究與改革實(shí)踐項(xiàng)目[297]、國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目[156]、國(guó)家大學(xué)生文化素質(zhì)教育基地[110]、全國(guó)高校實(shí)踐育人創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地[154]、全國(guó)工程碩士研究生教育創(chuàng)新院校[3]、中國(guó)政府獎(jiǎng)學(xué)金來(lái)華留學(xué)生接收院校[218]、全國(guó)高校來(lái)華留學(xué)質(zhì)量認(rèn)證試點(diǎn)院校、上海市新聞傳播人才培養(yǎng)基地[，為博士學(xué)位授予單位、高水平行業(yè)特色大學(xué)優(yōu)質(zhì)資源共享聯(lián)盟發(fā)起成員[209]、長(zhǎng)三角新文科教育專業(yè)認(rèn)證聯(lián)盟牽頭單位。

PDMS-100型壓電材料摩擦納米發(fā)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

關(guān)鍵詞：壓電，摩擦，納米，發(fā)電

前言：

PDMS-100型壓電材料摩擦納米發(fā)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)作為一種能量產(chǎn)生單元，在其內(nèi)部的電路中，由于摩擦起電效應(yīng)，兩個(gè)摩擦電極性不同的摩擦材料薄層之間會(huì)發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移而使得二者之間形成一個(gè)電勢(shì)差；在外部電路中，電子在電勢(shì)差的驅(qū)動(dòng)下在兩個(gè)分別粘貼在摩擦電材料層背面的電極之間或者電極與地之間流動(dòng)，從而來(lái)平衡這個(gè)電勢(shì)差。摩擦納米發(fā)電機(jī)的動(dòng)力源既可以是已被人們認(rèn)識(shí)的風(fēng)力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身體的晃動(dòng)、手的觸摸、下落的雨滴等從沒被人們注意過的環(huán)境隨機(jī)能源，還可以是車輪的轉(zhuǎn)動(dòng)、機(jī)器的轟鳴等。

PDMS-100型壓電材料摩擦納米發(fā)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)利用摩擦起電效應(yīng)和靜電感應(yīng)效應(yīng)的耦合把微小的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。這是一種新的技術(shù)并具有的輸出性能和優(yōu)點(diǎn)。它既用不著磁鐵也不用線圈，在制作中用到的是質(zhì)輕、低密度并且價(jià)廉的高分子材料。PDMS-100型壓電材料摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)明是機(jī)械能發(fā)電和自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)領(lǐng)域的一個(gè)里程碑式的發(fā)現(xiàn)，這為有效收集機(jī)械能提供了一個(gè)全新的模式。

主要技術(shù)參數(shù)：

1、采樣率50k/s，連續(xù)可調(diào)。

2、分辨率16bit

3、輸入阻抗：1GΩ

4、輸入偏置電流：+200pA

5、電壓量程：10μV-200V

6、電流量程：20nA-20mA

7、電阻量程：10mΩ-200GΩ

1. 輸入電壓：220V 單相交流電；

2. 扭矩：1.2 牛米；

3. 有效運(yùn)行長(zhǎng)度：300mm 高精度皮帶傳控；

4. 定位精度：0.06mm；步進(jìn)精度：0.0086mm

5. 最大運(yùn)行速度：300mm/s；

6. 控制方式：電腦程序控制

7. 壓力傳感器：量程：0~100N，精度：+/- 0.1N

8.DAQ 數(shù)據(jù)采集卡：支持 NI 采集卡全系列，具體規(guī)格詳見 NI (如:USB 6002,6003 等)，可定制開發(fā)

9. 面包板光學(xué)平臺(tái)尺寸: 長(zhǎng) 600mm，寬 300mm，厚 13mm

10.頻率：0-5HZ

主要配置：

1、一體式驅(qū)控步進(jìn)電機(jī)

2、24V 開關(guān)電源

3、壓力傳感器控制器

4、運(yùn)動(dòng)高精度模組

5、動(dòng)子

6、壓力傳感器(拉壓雙向)

7、定子

如圖3所示，研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地開發(fā)出基于MP納米纖維膜的自供電摩擦納米發(fā)電機(jī)（TENG），MP-TENG通過多孔結(jié)構(gòu)MP-NM與Ecoflex復(fù)合，實(shí)現(xiàn)接觸力與頻率依賴的電輸出特性。在接觸力驅(qū)動(dòng)模式下，輸出電壓、電流及轉(zhuǎn)移電荷隨壓力增加呈線性增長(zhǎng)，最大輸出達(dá)128 V、8.4 mA m-2、130 μC m-2，這源于實(shí)際接觸面積的顯著擴(kuò)展。頻率響應(yīng)測(cè)試顯示，輸出電流隨振動(dòng)頻率提升（2.5 mA m-2至14.25 mA m-2），而電壓與電荷量保持穩(wěn)定，歸因于電荷轉(zhuǎn)移速率對(duì)運(yùn)動(dòng)速度的弱敏感性。負(fù)載調(diào)控實(shí)驗(yàn)表明，外接電阻2MΩ時(shí)峰值功率密度達(dá)5.5W/m2，且具備高效電容器充電能力（2.2μF/8.8V或10μF/5V）。耐久性測(cè)試中，裝置在10000次循環(huán)（2Hz）后輸出性能維持96%，驗(yàn)證其長(zhǎng)期穩(wěn)定性。該特性為微型電子設(shè)備提供了一種自供電解決方案，尤其適用于低功耗、間歇性工作場(chǎng)景。

利用摩擦產(chǎn)生的靜電荷，需要有接觸-離開的機(jī)制。接觸使得上下兩層材料產(chǎn)生摩擦靜電，離開后兩層材料斷開，沒有回路，而靜電場(chǎng)依然存在，可以在外接負(fù)載的情況下產(chǎn)生電流流過負(fù)載。

有四種基本工作模式：

1、垂直的摩擦-接觸（樣品垂直放置,運(yùn)動(dòng)臺(tái)垂直滑動(dòng)）

2、水平滑動(dòng)

兩個(gè)電極材料接觸的一面水平滑動(dòng)摩擦產(chǎn)生靜電，而兩個(gè)電極未接觸的一面將產(chǎn)生反向電荷，如何讓負(fù)載兩端分別接在兩個(gè)電極未接觸面，即可產(chǎn)生電流流過負(fù)載。周期性的來(lái)回滑動(dòng)，可以產(chǎn)生交流電

3、單電極模式

只有一個(gè)電極，電極上有物體，改變物體與電極之間的距離可以改變電廠，引起靜電感應(yīng)電荷的流動(dòng)，負(fù)載兩端分別接到下電極和地之間，通過上電極上物體與電極之間的距離來(lái)產(chǎn)生靜電流流過負(fù)載

4、獨(dú)立層模式

帶電物體的一面接有兩個(gè)電極，兩個(gè)電極分開一定距離，分別為正負(fù)極，接在負(fù)載兩端。當(dāng)帶電物體沿水平方向移動(dòng)時(shí)，兩個(gè)電極之間就出現(xiàn)了感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)

東華大學(xué)導(dǎo)入PDMS-100型摩擦納米發(fā)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng),對(duì)于進(jìn)一步研究壓電材料的性能有重要作用，對(duì)于提升學(xué)校的研究能力和本科教學(xué)有著重要意義。