顆粒在線訊：摩擦納米發(fā)電機(jī)通過接觸起電和靜電感應(yīng)可以廣泛地收集機(jī)械能，經(jīng)過多年發(fā)展，摩擦納米發(fā)電機(jī)在機(jī)械能收集和自供電傳感方面展現(xiàn)出廣泛應(yīng)用。接觸分離模式是摩擦納米發(fā)電機(jī)常見的工作模式，為了提高接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出信號(hào)，此前研究者做了很多工作。比如，對(duì)摩擦層表面進(jìn)行微結(jié)構(gòu)處理，增加表面電荷密度；針對(duì)接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)空間充足的特點(diǎn)，采用多層設(shè)計(jì)的辦法來增加儲(chǔ)存電荷的面積；通過為摩擦納米發(fā)電機(jī)增加電荷泵，突破摩擦層最大表面電荷密度的限制。上述策略都是以提高表面電荷量為目的。然而信號(hào)的大小不僅與電荷轉(zhuǎn)移量有關(guān)，還和電荷轉(zhuǎn)移速度有關(guān)。

　　近日，中國科學(xué)院力學(xué)研究所研究團(tuán)隊(duì)與中科院北京納米能源與系統(tǒng)研究所研究團(tuán)隊(duì)合作，提出了以提高電荷轉(zhuǎn)移速度為目的的新策略，并開發(fā)了接觸分離式的力學(xué)杠桿式摩擦納米發(fā)電機(jī)（圖1）。通過改變力學(xué)杠桿比來改變接觸分離速度，在不改變電荷轉(zhuǎn)移量的情況下也能大幅提高信號(hào)輸出。為了適應(yīng)杠桿獨(dú)有的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，研究人員將上摩擦層設(shè)計(jì)成弧形，研究了不同壓縮應(yīng)變下弧形摩擦層的電學(xué)特性和力學(xué)特性。當(dāng)放大倍數(shù)從22倍增大到50倍時(shí)，杠桿式摩擦納米發(fā)電機(jī)的電壓信號(hào)大小從91 V增加到232 V，最大功率從83 μW增加到1031 μW（圖2）。杠桿式摩擦納米發(fā)電機(jī)還可以作為自供電脈搏傳感器，在沒有經(jīng)過表面預(yù)處理的情況下得到12.3 V的脈搏信號(hào)（圖3）。這項(xiàng)工作展示了一種提高接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)信號(hào)的新思路，在提高接觸分離式摩擦納米發(fā)電機(jī)的能量收集設(shè)備和自供電傳感器的信號(hào)方面擁有較大潛力。

　　該工作近期發(fā)表在Nano Energy上。

圖1 杠桿式摩擦納米發(fā)電機(jī)的模型及原理圖。(a)杠桿式摩擦納米發(fā)電機(jī)的模型；(b)角速度原理圖；(c)摩擦納米發(fā)電機(jī)的電流原理圖

　　圖2 杠桿式摩擦納米發(fā)電機(jī)的電學(xué)測(cè)量。（a）不同速度下和（b）不同位置下的信號(hào)測(cè)試；不同放大倍數(shù)下的（c）信號(hào)圖和（d）信號(hào)波形圖；（e）不同放大倍數(shù)下的功率圖；（f）22倍和（g）50倍放大下的電壓功率圖

　　圖3 杠桿式摩擦納米發(fā)電機(jī)的力學(xué)分析及脈搏測(cè)量應(yīng)用展示。（a）杠桿式摩擦納米發(fā)電機(jī)的力學(xué)分析；（b）杠桿式摩擦納米發(fā)電機(jī)的動(dòng)力學(xué)模型；杠桿式摩擦納米發(fā)電機(jī)的（c）位移-速度-時(shí)間圖和（d）幅度比-固有頻率比圖；杠桿式摩擦納米發(fā)電機(jī)測(cè)量脈搏的（e）實(shí)物圖和（f）信號(hào)圖；（g）杠桿式摩擦納米發(fā)電機(jī)測(cè)的脈搏信號(hào)大小和其他文獻(xiàn)的對(duì)比