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

  東華大學(xué)(Donghua University)，地處上海市，是教育部直屬全國重點(diǎn)大學(xué)，國家、"211工程"建設(shè)高校，入選國家“2011計劃"、"111計劃"[206]、工程師教育培養(yǎng)計劃、大學(xué)生創(chuàng)新性實(shí)驗(yàn)計劃、中非高校20+20合作計劃、大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃、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]、國家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目[156]、國家大學(xué)生文化素質(zhì)教育基地[110]、全國高校實(shí)踐育人創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)基地[154]、全國工程碩士研究生教育創(chuàng)新院校[3]、中國政府獎學(xué)金來華留學(xué)生接收院校[218]、全國高校來華留學(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)，兩個摩擦電極性不同的摩擦材料薄層之間會發(fā)生電荷轉(zhuǎn)移而使得二者之間形成一個電勢差；在外部電路中，電子在電勢差的驅(qū)動下在兩個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，從而來平衡這個電勢差。摩擦納米發(fā)電機(jī)的動力源既可以是已被人們認(rèn)識的風(fēng)力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身體的晃動、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、機(jī)器的轟鳴等。

PDMS-100型壓電材料摩擦納米發(fā)電機(jī)測試系統(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)動系統(tǒng)領(lǐng)域的一個里程碑式的發(fā)現(xiàn)，這為有效收集機(jī)械能提供了一個全新的模式。

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)平臺尺寸: 長 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)動高精度模組

5、動子

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，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)測試顯示，輸出電流隨振動頻率提升（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)移速率對運(yùn)動速度的弱敏感性。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）。耐久性測試中，裝置在10000次循環(huán)（2Hz）后輸出性能維持96%，驗(yàn)證其長期穩(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)動臺垂直滑動）

2、水平滑動

兩個電極材料接觸的一面水平滑動摩擦產(chǎn)生靜電，而兩個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電極未接觸面，即可產(chǎn)生電流流過負(fù)載。周期性的來回滑動，可以產(chǎn)生交流電

3、單電極模式

只有一個電極，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，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電極，兩個電極分開一定距離，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時，兩個電極之間就出現(xiàn)了感應(yīng)電動勢

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