摘要
随着科技进步与时代发展，智能可穿戴、便携电子设备、可植入系统等在众多与人类生活息息相关的地方崭露头角，也成为了未来科学发展的重要方向。在这些领域中，传感器承担着感知并获取自然环境中的一切信息数据的媒介，具有不容忽视的重要作用。但是，传统的压阻式、电容式等传感器依赖一次性电源，电源的体积限制了它的应用拓展，同时废弃电源的处理也带来不小的难题。 2012年王中林团队提出摩擦纳米发电机用以收集环境中的微机械能并转化为电能，摩擦纳米发电机作为传感器对微小信号的灵敏度高，更容易实现柔性集成，且无需额外的电源供电可实现自驱动，一经推出就引起了广泛关注。 摩擦纳米发电机经过多年的发展，其材料和形式都在不断拓展与丰富。然而许多领域内常见的材料，如聚四氟乙烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯等并不能完全降解，并易于释放污染性的化学物质，这无疑会给环境带来巨大的负担。近年来，可持续发展的理念深入人心，不少人开始利用可再生生物材料制作纳米发电机用于改善材料选择的环境友好性，产生了低成本的清洁电能并可用于生物体系的植入式纳米器件。 本文选用生物基聚酰胺和聚乳酸分别作为正负电摩擦材料，采用流延成膜、去离子水浸出、静电纺丝法分别制备了各种表面形态的膜，并探究其表面微观结构对纳米发电机输出性能的影响。实验结果表明，静电纺丝纤维膜的表面微纳结构有利于电荷的积累，拥有最佳输出性能，同时在实验过程中材料的化学性质并未发生改变。测试器件的输出性能，纤维膜厚度15μm、接触面积2cm×2cm的生物基摩擦纳米发电机在频率3Hz、大小7.5N的外力作用下，开路电压、短路电流、电荷转移量可以达到79V、1.5μA、6.7nC；匹配最优阻抗，当外加负载电阻为8MΩ时，器件的输出功率达到86mW/m2。最后，对稳定性和环境适应性进行测试，作为摩擦材料的纳米纤维膜表现出良好的断裂应力与断裂伸长率，从力学角度保证器件的稳定耐用；在7200个工作循环和多次独立测量中，器件的输出性能保持在较小的范围内浮动；在10~60℃、30%-50%RH的环境温湿度下，器件输出性能稳定，环境适应性强。将生物基摩擦纳米发电机应用于监测人体不同的手部施力状态，呈现出良好的灵敏度，表明其在自供电传感领域具有广阔的应用前景。
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