摘要
近年来，便携、智能、多功能化电子设备在人们的生活中起到不可或缺的作用，但为这些数量大、分布范围广、低能耗的设备提供能源是一个巨大的挑战。摩擦纳米发电机(TENG)基于摩擦起电和静电感应效应，可以从环境中获取清洁和可持续的能源，以实现自供电系统，被证明是一种简单、高效的能量收集技术。考虑到其在实际生活中的应用，输出性能高、使用寿命久、性能稳定的TENG是必不可少的。虽然已经报道了各种提高输出性能的策略与方法，但是仍然需要高效、易于工业化的方法制备TENG，以便拓展其应用范围。因此，本文通过简单、易于工业化生产的方法制备性能优异的的聚合物材料基TENG，用于收集人体运动过程中的能量，从而加快其实际开发和应用。具体内容如下： (1)通过牺牲模板法制备了具有多孔结构的硅橡胶/碳纳米纤维基TENG。泡孔结构的引入使得TENG的输出性能不仅源于材料的表面，还源于材料的内部，使得整个材料都得到充分的利用。主要通过调控氯化钠粒子的尺寸、含量以及碳纳米纤维的含量调控TENG的输出性能。结果表明氯化钠粒子的尺寸越小，含量越高，即泡孔尺寸越小、孔隙率越高时，输出性能越高。当泡孔的尺寸为190μm，孔隙率为75%时，其开路电压、短路电流以及转移电荷量分别为3.2μA,34V,以及10nC。 (2)首次通过超临界二氧化碳发泡法制备了具有泡孔结构的一体化TENG。该种类型TENG集摩擦层、电极以及摩擦间隙为一体，无需额外组装。通过调控饱和温度，调控泡孔的尺寸以及孔隙率，从而调控TENG的输出性能。当饱和温度为50℃时所获得的样品的输出性能达到最佳，在样品尺寸为4cm2时，其开路电压、短路电流以及转移电荷量分别为91V,2.87μA,40nC,是未发泡样品输出性能的10倍。此外，由于该种类型的器件具有优异的柔韧性，可以收集拉伸、压缩、扭转以及弯曲等各个方向的能量。样品粘贴在鞋底时，可将人体运动时产生的机械能转化为电信号，用作自供能传感器感知和分析步态。 (3)通过简单、高效的真空抽滤法制备了细菌纤维素/钛酸钡复合膜，并充当摩擦正极材料。钛酸钡粒子的引入在提高细菌纤维素表面粗糙度的同时，也增加其介电常数。细菌纤维素/钛酸钡复合膜的粗糙度随着钛酸钡含量的增加呈现先增加后降低趋势，而复合膜的介电常数随着钛酸钡粒子的增加而增加。在二者的协同作用下，TENG的输出性能得到提高。当钛酸钡粒子的含量为13.5vol%时，其输出性能达到最佳，在样品尺寸为10cm2时，其开路电压、短路电流以及转移电荷量分别为181V,21μA,76.6nC，当外接电阻为108Ω时，最佳瞬时功率为4.8W/m2。所制备的TENG具有优异的柔韧性，可以粘贴在衣服或者康复球上，收集运动过程中产生的微电流，有望将运动疗法和微电流疗法相结合，加快患者的康复。 (4)通过简单共混法制备了柔性、透明且在室温环境下可自修复的TENG，其中聚乙醇水凝胶、聚异丁烯复合膜分别用作电极和摩擦层。通过调控高分子量聚异丁烯和低分子量聚异丁烯的配比，调控其自修复性能，当二者的配比为5∶5时，自修复性能达到100%。而通过硼砂交联的聚乙烯醇水凝胶同样在室温环境下，无需外界刺激，可自主愈合。基于二者所制备的三明治结构的TENG具有优异的自修复性能。将TENG切成两份、四份时，无需外界刺激，即可实现自修复，修复前后输出性能保持不变。此外，聚异丁烯复合膜优异的防水性能，使得内部聚乙醇水凝胶的电导率得以保持，赋予TENG优异的输出循环稳定性能。修复后的TENG，可以为电容器充电，从而为低能耗器件供能。此外，还可以用作自供能传感器，将其粘贴在手指、手腕处时，输出性能随着弯曲角度的变化而变化，可根据输出信号判断指关节弯曲情况。 (5)封装是获得输出性能稳定的TENG的有效方法，但是已报道的封装材料模量较高。高模量一方面降低了能量转换效率，另一方面其与大部分组织不匹配，当植入体内时，会对组织造成一定损伤。本文通过共混法制备了柔性、可拉伸的聚异丁烯复合膜封装材料。当低分子量聚异丁烯和高分子量聚异丁烯的配比为6∶4时，复合膜的模量为62kPa，与大部分组织相匹配。而因其饱和碳主链以及甲基的存在，聚异丁烯薄膜具有优异的防水性能。被聚异丁烯复合膜封装的垂直接触分离式的TENG的输出性能在水中可以保持6周，而通过Ecoflex封装的器件，输出性能在第3周发生明显下降；被聚异丁烯复合膜封装的水平滑动式的TENG的输出性能在频率为1Hz的持续拉伸下，可工作15天，工作时长远超过通过Ecoflex封装的器件，输出性能仅可保持2天。
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