廣西大學(xué)導(dǎo)入PDMS-100壓電摩擦納米發(fā)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng)

   廣西大學(xué)（Guangxi University）簡(jiǎn)稱(chēng)“西大"（GXU），坐落于廣西，是廣西的國(guó)家“"211工程“建設(shè)學(xué)校，建設(shè)高校，教育部和廣西壯族自治區(qū)人民政府、國(guó)家建設(shè)高水平大學(xué)公派研究生項(xiàng)目、新工科"研究與實(shí)踐項(xiàng)目、工程師教育培養(yǎng)計(jì)劃、法律人才教育培養(yǎng)計(jì)劃、一省一校（Z14）聯(lián)盟成員，東盟大學(xué)聯(lián)盟、南亞?wèn)|南亞聯(lián)盟成員，廣西重點(diǎn)支持的綜合性研究型大學(xué)建設(shè)高校。

   廣西大學(xué)導(dǎo)入PDMS-100壓電摩擦納米發(fā)電機(jī)測(cè)試系統(tǒng),對(duì)于新材料研究有著重要意義。這款設(shè)備連同ZJ-3型精密D33測(cè)試儀，PZT-JH30/1型壓電復(fù)合極化裝置，在壓電材料研究方面有著重要作用，對(duì)于本科教學(xué)和研究有重要的支持。

材料是一切事物的物質(zhì)基礎(chǔ)。從科學(xué)技術(shù)發(fā)展的歷史看，一種嶄新技術(shù)的實(shí)現(xiàn)，往往需要嶄新材料的支持。如果沒(méi)有1970年制成的使光強(qiáng)度幾乎不衰減的光導(dǎo)纖維，也不會(huì)有現(xiàn)代的光通信；如果不制成高純度大直徑的硅單晶，就不會(huì)有高度發(fā)展的集成電路，也不會(huì)有今天如此先進(jìn)的計(jì)算機(jī)和電子設(shè)備。

從結(jié)構(gòu)上分，現(xiàn)有固體材料可分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩大類(lèi)。玻璃等屬于非晶態(tài)材料。而金屬則是晶態(tài)材料，它們由許多晶粒組成，在晶粒內(nèi)部，原子按嚴(yán)格規(guī)則成點(diǎn)陣排列，就像列成方陣的整齊隊(duì)伍一樣，而在晶粒間界面處的原子則排列無(wú)序。
　　在各種材料中，金屬材料是人類(lèi)進(jìn)入工業(yè)社會(huì)以后，用得最早也最多的材料。作為結(jié)構(gòu)材料，金屬材料主要包括鐵合金、鋁合金、鈦合金，它們的品種層出不窮，性能也遠(yuǎn)非昔日可比。
　　材料技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)之一是尺度向越來(lái)越小的方向發(fā)展，以前組成材料的顆粒，其尺寸都在微米（百萬(wàn)分之一米）量級(jí)，而現(xiàn)在出現(xiàn)了向納米（十億分之一米）尺度發(fā)展的材料。由于顆粒極度細(xì)化，晶界所占體積百分?jǐn)?shù)增加，使得材料的某些性能發(fā)生截然不同的變化，例如，以前給人極脆印象的陶瓷，納米化后居然可以用來(lái)加工制造發(fā)動(dòng)機(jī)零件；盡管各種塊狀金屬有不同顏色，但當(dāng)其細(xì)化到納米級(jí)的顆粒時(shí)，所有金屬都呈現(xiàn)出黑色；納米材料的另一特點(diǎn)是熔點(diǎn)低，金的熔點(diǎn)通常是１０００多攝氏度，而晶粒尺度為３納米的金微粒，其熔點(diǎn)僅為普通金的一半。
　　納米材料是近幾年來(lái)的新材料之一，其重要意義越來(lái)越為人所認(rèn)識(shí)。已有人預(yù)言“本世紀(jì)五十年代重視微米技術(shù)的國(guó)家，現(xiàn)在都取得了很大的發(fā)展，同樣，現(xiàn)在重視納米科技的國(guó)家，將在二十一世紀(jì)獲得高速發(fā)展。"IBM的科學(xué)家Amotrong也曾十分肯定的指出：“正像七十年代微電子技術(shù)引發(fā)了信息革命一樣，納米科學(xué)技術(shù)將成為下世紀(jì)信息時(shí)代的核心。"

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(méi)被人們注意過(guò)的環(huán)境隨機(jī)能源，還可以是車(chē)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(jiàn) NI (如:USB 6002,6003 等)，可定制開(kāi)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(kāi)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

     納米發(fā)電機(jī)，是基于規(guī)則的氧化鋅納米線的納米發(fā)電機(jī)，是在納米范圍內(nèi)將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能，納米發(fā)電機(jī)可以分為3類(lèi)。

一類(lèi)是壓電納米發(fā)電機(jī)，壓電納米發(fā)電機(jī)是利用特殊納米材料（氧化鋅） ^[1]的壓電性能與半導(dǎo)體性能，把彎曲和壓縮的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艿奈⑿桶l(fā)電機(jī)。還有一類(lèi)是摩擦納米發(fā)電機(jī)，摩擦發(fā)電機(jī)利用了兩種對(duì)電子束縛能力不同的材料，相互接觸時(shí)得失電子而在外電路產(chǎn)生電流的微型電機(jī)。主要有四種模式，垂直接觸分離，平面滑動(dòng)式，單電極式，獨(dú)立層式。第三類(lèi)為熱釋電納米發(fā)電機(jī)。

基本原理

播報(bào)

編輯

一、壓電納米發(fā)電機(jī)原理

氧化鋅具有半導(dǎo)體和壓電的雙效應(yīng)，其中肖特基勢(shì)壘保證了氧化鋅的可以向外輸出單向電流的能力，因?yàn)?/span>半導(dǎo)體與金屬接觸時(shí)，氧化鋅的電子逸出功小于鉑電極，電子從氧化鋅流入探針（鉑電極），氧化鋅顯示正電，形成了類(lèi)似于PN結(jié)的形式，當(dāng)外界電場(chǎng)方向從鉑電極到氧化鋅，內(nèi)部電子可以流動(dòng)，輸出電流。

氧化鋅線彎曲時(shí)會(huì)產(chǎn)生兩側(cè)的電勢(shì)，由于氧離子與鋅離子相對(duì)移動(dòng)，導(dǎo)致在壓縮的地方顯示負(fù)電，在拉伸的地方顯示正電，鉑探針可以看作零電勢(shì)。只有探針?lè)旁趬嚎s的一側(cè)時(shí)，產(chǎn)生的電勢(shì)差顯示正電，相當(dāng)于PN被導(dǎo)通，在外電路產(chǎn)生電流。反之，相當(dāng)于PN結(jié)的反向飽和電流，電流較小，不能產(chǎn)生電壓輸出。

二、摩擦納米發(fā)電機(jī) ^[2]原理

采用了尼龍與聚四氟乙烯，兩者接觸時(shí)聚四氟乙烯得到電子，當(dāng)滑移產(chǎn)生時(shí)，兩者離開(kāi)接觸面的部分需要保持電中性，電子從聚四氟乙烯流向尼龍，這樣在外電路產(chǎn)生了向下的電流；當(dāng)兩者相互接觸時(shí)，已經(jīng)接觸的面保持電中性，之前流動(dòng)的電子需要流回才能保持電中性，這樣在外電路實(shí)現(xiàn)了向上的電流。

發(fā)展前景

播報(bào)

編輯

對(duì)于壓電發(fā)電機(jī) ^[3]，前景是超聲波發(fā)電機(jī)和彎曲的柔性發(fā)電機(jī)。

超聲波發(fā)電機(jī)分為三層，第一層為涂有鉑的螺旋形硅電極，中間是氧化鋅的納米線，底部是導(dǎo)電性好的電極。通過(guò)超聲波對(duì)表面的振動(dòng)，使得氧化鋅發(fā)生彎曲，鋸齒狀的鉑電極會(huì)接觸氧化鋅的一側(cè)，這樣就會(huì)有電流產(chǎn)生出來(lái)。

柔性發(fā)電機(jī)，發(fā)電機(jī)采用柔性的PDMS材料，在水平面上涂抹生長(zhǎng)平行密集的氧化鋅納米線，在納米線兩極涂有金的電極，向外輸出電壓。通過(guò)彎曲基板，可以使納米線產(chǎn)生彎曲，一段產(chǎn)生正電一段負(fù)電，相當(dāng)于將豎直面的彎曲引入到水平面上。

美國(guó)《科學(xué)》報(bào)道，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院教授、中國(guó)國(guó)家納米科學(xué)中心海外主任王中林等成功地在納米尺度下將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能，在世界上研制成功納米發(fā)電機(jī)。正在北京的王中林在接受《科學(xué)時(shí)報(bào)》采訪時(shí)說(shuō)，“這是我在這個(gè)研究領(lǐng)域10多年最讓我激動(dòng)的發(fā)明。"他認(rèn)為這是國(guó)際納米領(lǐng)域的最讓人激動(dòng)的重大發(fā)現(xiàn)，它一定會(huì)引起整個(gè)納米學(xué)界對(duì)納米電源方面研究的巨大熱潮。

作為佐治亞理工學(xué)院校董事講座教授和工學(xué)院杰出講座教授，王中林同時(shí)也是北京大學(xué)工學(xué)院先進(jìn)材料和納米技術(shù)系系主任、中國(guó)國(guó)家納米科學(xué)中心海外主任，這項(xiàng)工作是他和博士生宋金會(huì)共同完成的。

王中林認(rèn)識(shí)到氧化鋅獨(dú)特的半導(dǎo)體、光學(xué)和生物學(xué)性能，具有其它納米材料不可替代的作用，因此，他的研究小組一直致力于以氧化鋅為基礎(chǔ)的納米材料的合成和應(yīng)用研究。2001年，他們?cè)凇犊茖W(xué)》雜志上報(bào)告合成氧化鋅半導(dǎo)體材料帶，這篇論文已被引用1100多次。之后，他們又研制出納米環(huán)、納米螺旋等器件。

王中林相信納米發(fā)電機(jī)無(wú)論在生物醫(yī)學(xué)、軍事、無(wú)線通信和無(wú)線傳感方面都將有廣泛的重要應(yīng)用。他說(shuō)：“這一發(fā)明可以整合納米器件，實(shí)現(xiàn)真正意義上的納米系統(tǒng)，它可以收集機(jī)械能，比如人體運(yùn)動(dòng)、肌肉收縮等所產(chǎn)生的能量；震動(dòng)能，比如聲波和超聲波產(chǎn)生的能量；流體能量，比如體液流動(dòng)、血液流動(dòng)和動(dòng)脈收縮產(chǎn)生的能量，并將這些能量轉(zhuǎn)化為電能提供給納米器件。這一納米發(fā)電機(jī)所產(chǎn)生的電能足夠供給納米器件或系統(tǒng)所需，從而讓無(wú)納米器件或納米機(jī)器人實(shí)現(xiàn)能量自供。"

鞋內(nèi)裝上一個(gè)"納米發(fā)電機(jī)"，人們一邊走路一邊便可給手機(jī)或者MP3播放器充電。在不久的將來(lái)，這將有望成為現(xiàn)實(shí)。

王中林還表示，單個(gè)的納米發(fā)電機(jī)雖然研發(fā)出來(lái)了，但其畢竟功率有限。未來(lái)真正投入使用的話，必須要有大量的納米發(fā)電機(jī)共同工作，組成一個(gè)"發(fā)電機(jī)組"。因此，課題組下一步的工作便是要想辦法研發(fā)出多個(gè)納米發(fā)電機(jī)聯(lián)合發(fā)電的裝置。