摩擦电

3D多孔泡沫基摩擦电纳米发电机用于能量收集摩擦电；纳米发电机；能量收集；3D泡沫；PDMS。在这里，我们提出了一种简单的方法来制备一个垂直堆积的3D多孔结构基摩擦电纳米发电机( TENG )，可用于以重复接触分离模式从摩擦中收集能量。TENG的单组分由薄铝箔电极和Ni、Cu和聚氨酯( PU )等微观结构的三维泡沫材料组成，它们提供了有利的摩擦表面，特别是增加了弹性体对接触面的摩擦面积。在温和条件下，三维多孔结构TENG单个单元产生的周期性接触/分离诱发的摩擦电功率可达$0.74mW/m^2$。为了论证我们方法的潜在应用，我们将我们的TENG应用于小规模器件中，运行48个LED和电容。我们设想，通过有效地从环境中回收浪费的能源资源，这种能量收集技术可以简单、经济地扩展到可持续运行的便携式电子设备的应用。

电源与外部负载的阻抗匹配是任何电子系统从电源到负载的优化功率传输的必备参数之一。电源阻抗与外部负载的失配，可能会因反射而导致功率转移的急剧减小。本文对能量采集器与负载阻力的负载匹配进行了系统的试验研究。实验结果表明，在无外负载条件下，输出电压为68.46   V，输出电流为14.59   µ A，瞬时功率为0.937   mW。在最佳负载4   M Ω下，输出功率降低到0.248   mW。分别在4.5   Hz和2.8   N的频率和力作用下进行了严格的实验研究。对于自持系统的潜在应用，摩擦电能量收集器装置也得到了论证。

摩擦电纳米发电机作为微系统元件的大量应用拓宽了先进医疗监测和绿色能源系统的获取途径。最近对可穿戴电子技术的研究集中在更复杂的结构和昂贵的材料用于感官应用，导致商业可行性降低。在这里，我们报告了一种生物兼容性、成本效益、高度敏感、结构简单、多功能和可穿戴的摩擦电纳米发电机( TENG )作为一种通用的健康监测装置。采用纤维素纸和聚二甲基硅氧烷( PDMS ) /聚四氟乙烯( PTFE )共聚物电极制备了这种摩擦电式万能健康监测装置( TUHMD )。该装置通过机械触发，对与人体肌肉和呼吸系统相关的多种身体运动表现出高灵敏度和显著的相同信号。该装置还被观察到对声带振动敏感。该设备与计算机辅助系统的集成提供了生理运动的实时数据，可能对个性化医疗、康复和远程监测病人有用。该装置还测试了30 ~ 90拍每分钟( BPM )负载频率，以观察装置的摩擦电性能。TUHMD显示了响应作为一个摩擦电纳米发电机，其范围为12 V，电荷积累可忽略不计，最大容性能为11 F。这种智能装置显示了一个潜力成为一个先进的生物医学传感器，以维持全面的医疗或监测应用。

摘要\n尽管冲击式摩擦发电机成本低、功率大、应用领域广，但由于电流持续时间极短，在毫秒量级，其适用性有限。功率大、持续时间短的电流峰值不仅会降低时均功率输出，而且会对伴随电路产生摩擦电冲击，迅速降低发电机的可用性。在这里，我们通过控制两个介质板之间的气隙电容来演示可调的摩擦电流持续时间。在典型的尼龙/空气间隙/聚二甲基硅氧烷( PDMS )多层接触型摩擦电发生器中，介质板的垂直速度从0.5 cm / s降低到0.05 cm / s，电流持续时间从0.10 秒增加到0.81 秒。峰值持续时间的增加伴随着峰值电流的减小，在垂直速度为0.25   cm / s时，最佳电荷密度为0.163   n C / cm2，改变非接触模式下的气隙电容或介质层的相对介电常数也会导致峰值持续时间的类似变化。为了解释可调谐电流持续时间，通过串联电容建立了等效电路模型，数值解再现了电流持续时间随气隙电容变化的趋势。本研究对进一步优化摩擦电发生器，优化摩擦电荷密度、伴随电路寿命和拓宽适用性具有重要意义。

六方氮化硼纳米片( BNNSs )是二维( 2D )材料之一，由于其独特的性能，在纳米电子学等领域得到了广泛的应用。这里利用BNNSs研制高性能的压电/摩擦电纳米发电机( PTEG )。在聚二甲基硅氧烷( PDMS )中加入少量质量分数的BNNS，形成复合材料，可产生d 33 ~ 12   pC / N的高达~ 5.4   V的压电电压。由BNNS- PDMS和聚酰胺-6 ( PA6 )膜( 20×20 mm2 )组成的PTEG，电流密度为~ 230   mA   m-2，输出电压为~ 1870   V，最大功率密度为~ 103.7   W m-2，比对照PDMS / PA6纳米发电机提高了3倍以上。BNNS- PDMS膜的电极化可以进一步增强PTEGs的输出。详细的研究表明，BNNSs压电效应的协同作用和BNNS- PDMS膜的电子亲和力的提高，使得BNNS基PTEGs具有优异的性能潜力。

六方氮化硼纳米片( BNNSs )是二维( 2D )材料之一，由于其独特的性能，在纳米电子学等领域得到了广泛的应用。本文利用BNNSs研制了一种高性能的压电/摩擦电纳米发电机( PTEG )。将质量分数为几十%的BNNSs掺入聚二甲基硅氧烷( PDMS )中，形成复合材料，可在d33 ~ 12 pC / N下产生~ 5.4 V的压电电压。由BNNS- PDMS和聚酰胺-6 ( PA6 )膜( 20×20mm2 )组成的PTEG的电流密度为~ 230 mA m-2，输出电压为~ 1870 V，最大功率密度为~ 103.7 Wm-2，是PDMS / PA6纳米发电机的3倍多。BNNS- PDMS膜的电极化可以进一步增强PTEGs的输出。详细的研究表明，BNNSs压电效应的协同作用和BNNS- PDMS膜的电子亲和力的提高，使得BNNS基PTEGs具有优异的性能潜力。

利用钛酸铋、Bi4Ti3O12 ( BiTO ) /聚二甲基硅氧烷( PDMS )复合薄膜的摩擦和压电效应，通过简单、经济的制备工艺，制备了一种多单元复合的压-摩擦纳米发电机。由混合氧化物路线合成的BiTO样品结晶为正交对称，结构数据的Rietveld精化证实了这一点。温度和频率依赖的介电谱解释了BiTO的巨介电性能，源于界面极化、跳跃极化和外电极效应的共同作用。巨介电BiTO导致内极化的放大，为HNG器件提供了增强的输出性能。因此，与单独的PDMS-BiTO复合基PENG和TENG器件相比，HNG器件在功率密度方面表现出多倍的提升。随后，借助3D打印结构和一个球，构建了由多单元HNG器件组成的新型器件结构，分别输出300  V和4.7  μA的电压和电流。最后，HNG装置被用于生物力学能量收集和供电各种电子，如LED、计算器和腕表。

自供电触觉和压力传感器是新型智能电子器件的关键部件之一，无需外部电源即可感知各种外部物理刺激。随着自供电触觉传感器在健康状态和运动性能检测方面的潜在应用，受到了广泛关注。然而，制备具有可拉伸性、灵活性和低检测限的自供电触觉传感器仍然是一个挑战。本工作以简单的制作工艺和低廉的成本，演示了一种具有多级结构聚二甲基硅氧烷( PDMS )摩擦电层和PDMS /共晶镓铟( EGaIn )合金复合电极的自供电式摩擦电触觉传感器。0.23   Pa (实验)和7 mPa (计算)的检出限是目前报道的自供电摩擦电触觉传感器的研究现状。利用这种优良的特性，利用这种自供电的摩擦电触觉传感器实现了对人体手腕脉搏的监测。此外，由于摩擦电纳米发电机的工作机理，这种自供电的摩擦电触觉传感器表现出对拉伸的不妥协弹性甚至明显的损伤。