复合纳米纤维基摩擦发电机

The development of nano-materials and technology has injected new vigor into triboelectrification, making it a hot research direction in the area of micro-and nano-energy harvesting systems. However, the output power is still low and generator is not easily integrated with wearable electronics, which have limited their wide application. So, this project intends used the design concept of composite nanomaterial and electrostatic spinning technology, putting easy produced charge and fixed charge nanomaterial in together; through studying the influence of composite form and components of hybrid nanofiber on triboelectric performance and collaborative enhanced mechanism, exporting hybrid nanofiber material with efficient produced charge and fixed charge; then, developed out high performance hybid nanofiber-base generator, and attempts to its application in wearable self-powered system. Carrying out this project has benefit exploring high performance triboelectric materials, enriching triboelectric theory of and promoting the application of electric generator, which has great significance and value.

纳米材料和技术的发展为摩擦发电技术注入了新的活力，使其成为微纳自供能系统领域的热门研究方向。然而，目前的摩擦发电机仍然存在发电效率低、不易与可穿戴电子器件相集成等问题，限制了其广泛应用。为此，本项目拟采用复合纳米材料的设计理念，利用静电纺丝的材料制备方法，把容易产生电荷和固定电荷的纳米材料复合在一起；通过研究复合纳米纤维的复合形态和成分等对摩擦发电性能的影响规律和协同增强机理，探索高效产生电荷和固定电荷的复合纳米纤维材料；在此基础上，研制出高性能复合纳米纤维基发电机，并尝试其在可穿戴自供能系统中的应用。项目的开展有利于探索制备高性能复合摩擦发电材料，丰富摩擦发电的理论体系，推动摩擦发电机的应用步伐，具有重要的研究意义和应用价值。

复合摩擦材料成为高摩擦发电机（ＴＥＮＧ）性能的主力材料。本研究在自然科学基金青年项目(编号51503018)的资助下,以静电纺丝的复合纳米纤维材料为研究对象, 获得了复合纳米纤维的复合形态和成分等对摩擦发电性能的影响规律和协同增强机理，并把这一提高摩擦发电材料摩擦性能的理论推广到其他体系中。具体结果如下：.1、系统研究了聚合物PVDF，Nylon， PMMA，PVA，PVP，PS，PA，PTFE， PET， PEI， PI的静电纺丝工艺，获得了聚合物形貌和制备工艺的规律。利用摩擦发电机接触分离的工作模式，测量了各聚合物产生电荷和固定电荷能力。容易得电子能力的排序为PVDF>PTFT>PI>PET>PVA>PVP>PMMA>PA>Nylon, 容易失电子的能力排序反之；固定电荷能力排序为：PS>PI>PMMA>PET。此外形貌不同，得失电子的能力略有变化。选取了得电子能力和固电子能力最强的PVDF和PS，按照一定比例混合，纺成复合纳米纤维，详细研究了复合纳米纤维的发电能力。结果发现，PVDF/PS复合纳米纤维材料是高性能的摩擦发电材料。.2、理论模拟了摩擦电荷在摩擦层内的分布，得出了具有固定电荷能力的聚合物的介入，对发电能力的提高作用在于其对摩擦后产生的电荷的捕获。捕获后，摩擦产生的电荷类似于驻极体内极化产生的电荷，不容易消失。.3、这一理论推广到二维材料中，制备了PVDF/ TiO2纳米复合材料，比较了复合前后摩擦发电能力。复合后电压提高了2.4倍，电流提高了7.8倍，功率提高了50倍。对于性能提高的机理进行了研究，发现性能的提高不仅得益于对介入材料对电荷的捕获，还得益于本体材料介电常数的提高。.4、更进一步，首次把具有典型金属有机框架（MOF）的HKUST-1添加到PDMS基体中，ＴＥＮＧ可以获得最大瞬时输出功率3.17 mw，与基于纯PDMS的TENG相比，增强了13倍以上。更重要的是，随着湿度的增加，输出性能变得更高而不是更低，明显不同于传统的TENG。当RH从10％增加到90％时，基于5wt％ HKUST-1的复合膜的TENG的输出信号增加到大约140％，而基于纯PDMS的TENG的输出信号降低到初始值的10％。这项工作不仅拓宽了可以提高摩擦发电机性能的材料范围，而且还提供了一种来改善诸如高湿度等恶劣环境中摩擦发电机性能恶化的策略。