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試了發(fā)電機(jī)的性能。電壓和電流輸出信號是在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(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，兩個表面會形成不同符號的表面電荷，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。兩個表面的分離會導(dǎo)致電位降，這會導(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)下的電子流動會產(chǎn)生一個正電流信號。當(dāng)兩個表面再次恢復(fù)接觸時，電位降減小并消失。這會導(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個綠色LED。此外，還展示了活性炭材料的運(yùn)動傳感應(yīng)用。如圖4所示，使用裸手指作為接觸電極測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，即刻產(chǎn)生電信號，如圖4所示。該信號可以用作運(yùn)動傳感器，可以檢測任何運(yùn)動，例如人體或薄膜表面上的物體的運(yùn)動。

　　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的插圖演示了活性炭制造的發(fā)電機(jī)運(yùn)動傳感應(yīng)用。

　　經(jīng)過長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�，從而為小型電子設(shè)備供電。此外，采用單電極配置的活性炭摩擦發(fā)電機(jī)能夠檢測人體的運(yùn)動，可應(yīng)用于運(yùn)動傳感應(yīng)用。

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