活性炭橡膠復(fù)合制成的摩擦電材料

　　摩擦納米發(fā)電機(jī)已成為一種將周圍環(huán)境的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能的新型能源技術(shù)，它結(jié)合接觸帶電和靜電感應(yīng)的作用將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。在這項(xiàng)測(cè)試中，活性炭被引入作為天然橡膠的填充材料，被用作摩擦納米發(fā)電機(jī)的摩擦電材料。研究了活性炭橡膠復(fù)合材料中活性炭填料含量對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)性能的影響。

　　活性炭摩擦納米發(fā)電機(jī)的制造和輸出測(cè)量

　　發(fā)電機(jī)是通過使用氧化銦錫玻璃上的活性炭橡膠薄膜(圖1)作為底部摩擦正極材料和聚四氟乙烯作為頂部摩擦負(fù)極材料的單電極配置組裝而成的，如圖1所示。圖1下部分顯示了通過使用示波器和數(shù)字電流表分別測(cè)量輸出電壓和電流來檢查制造的摩擦納米發(fā)電機(jī)的能量轉(zhuǎn)換性能。在垂直接觸分離模式下測(cè)試了發(fā)電機(jī)的性能。電壓和電流輸出信號(hào)是在10N的機(jī)械沖擊力下獲得的，沖擊頻率為5Hz，由直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)(24V，最大轉(zhuǎn)速為2500rpm)。

　　圖1：制造的摩擦電極的數(shù)字圖像，包括涂在氧化銦錫基板上的橡膠和活性炭0.3、0.6和0.9%復(fù)合材料和活性炭發(fā)電機(jī)的工作機(jī)制。

　　如圖1所示，由涂在氧化銦錫基板上的土壤橡膠和活性炭復(fù)合膜制成的摩擦電電極用作摩擦納米發(fā)電機(jī)器件的底部電極。用于性能測(cè)試的設(shè)備配置和摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作機(jī)制如圖1b所示。天然橡膠和活性炭復(fù)合膜為摩擦正極材料，四氟乙烯片材作為配對(duì)摩擦負(fù)極材料。接觸帶電和靜電感應(yīng)效應(yīng)產(chǎn)生的電能描述如下。當(dāng)四氟乙烯和橡膠基材料的表面接觸時(shí)，兩個(gè)表面會(huì)形成不同符號(hào)的表面電荷，四氟乙烯上形成負(fù)表面電荷，橡膠基材料上形成正表面電荷。兩個(gè)表面的分離會(huì)導(dǎo)致電位降，這會(huì)導(dǎo)致自由電子從地面流向?qū)щ姷腎TO以平衡電位。這種狀態(tài)下的電子流動(dòng)會(huì)產(chǎn)生一個(gè)正電流信號(hào)。當(dāng)兩個(gè)表面再次恢復(fù)接觸時(shí)，電位降減小并消失。這會(huì)導(dǎo)致電子流回地面，

　　由活性炭復(fù)合材料制造的發(fā)電機(jī)在活性炭濃度為0、0.3、0.6、0.9wt.%時(shí)的電輸出如圖2所示。發(fā)現(xiàn)電輸出隨著活性炭濃度的增加而增加，并達(dá)到90V的最大峰間電壓(Vpp)和6.6µA的電流(Ipp)，如圖2所這些輸出高于沒加活性炭的橡膠，即53V和4.5µA。然而，在0.9%的活性炭濃度下，發(fā)電機(jī)的電輸出下降。從所有發(fā)電機(jī)的電流輸出信號(hào)中獲得的轉(zhuǎn)移電荷與Vpp和Ipp一起繪制如圖2c所示。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，所有制造的活性炭發(fā)電機(jī)的轉(zhuǎn)移電荷與其電壓和電流輸出的趨勢(shì)相同，并且從活性炭0.6%的發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了35nC的最大轉(zhuǎn)移電荷。

　　圖2：(a)輸出電壓，(b)輸出電流，和(c)橡膠和活性炭含量0.3、0.6和0.9%的復(fù)合材料的轉(zhuǎn)移電荷。

　　活性炭摩擦電材料工況及應(yīng)用

　　活性炭摩擦電材料制成的發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力能夠充電或存儲(chǔ)在商業(yè)電容中，如圖3a中10、22、33和47µF電容器的電壓充電曲線所示。47µF電容器在550秒內(nèi)充電至3V。此外，如圖3b電力被證明可以瞬間點(diǎn)亮44個(gè)綠色LED。此外，還展示了活性炭材料的運(yùn)動(dòng)傳感應(yīng)用。如圖4所示，使用裸手指作為接觸電極測(cè)試了單電極模式下的摩擦納米發(fā)電機(jī)。當(dāng)手指接觸到活性炭材料表面時(shí)，即刻產(chǎn)生電信號(hào)，如圖4所示。該信號(hào)可以用作運(yùn)動(dòng)傳感器，可以檢測(cè)任何運(yùn)動(dòng)，例如人體或薄膜表面上的物體的運(yùn)動(dòng)。

　　圖3：(a)由活性炭制造的摩擦納米發(fā)電機(jī)產(chǎn)生的電力充電的電容器的充電電壓曲線(b)發(fā)電機(jī)電輸出可瞬間點(diǎn)亮44個(gè)綠色LED。

　　圖4：在單電極配置下使用手指輕敲和生成的電壓信號(hào)的插圖演示了活性炭制造的發(fā)電機(jī)運(yùn)動(dòng)傳感應(yīng)用。

　　經(jīng)過長(zhǎng)期研究制成的活性炭橡膠復(fù)合材料并用于制造摩擦納米發(fā)電機(jī)，以將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。由于活性炭填充材料的多孔結(jié)構(gòu)的高表面積，活性炭填料的加入可以提高摩擦納米發(fā)電機(jī)的電輸出性能，這也可以作為電荷俘獲位點(diǎn)來增強(qiáng)起電過程中產(chǎn)生的摩擦電荷。活性炭的合適濃度為0.6%，產(chǎn)生的最高電功率密度為242mW/m2，幾乎是沒添加活性炭材料發(fā)電機(jī)的三倍。產(chǎn)生的電力能夠?yàn)樯逃秒娙萜鞒潆姡瑥亩鵀樾⌒碗娮釉O(shè)備供電。此外，采用單電極配置的活性炭摩擦發(fā)電機(jī)能夠檢測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)，可應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)傳感應(yīng)用。

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