曹杰 顧偉光 曲召奇 仲艷 程廣貴 張忠強(qiáng)

(江蘇大學(xué)智能柔性機(jī)械電子研究院, 鎮(zhèn)江 212013)

基于接觸生電與靜電感應(yīng)原理的摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)及其自供能傳感器在新能源和物聯(lián)網(wǎng)等領(lǐng)域有重要的應(yīng)用前景. 存在電負(fù)性差異的聚合物材料在接觸分離過(guò)程中, 由于電子的轉(zhuǎn)移, 在聚合物周?chē)臻g會(huì)產(chǎn)生變化的靜電場(chǎng), 已有的TENG 研究中, 主要利用垂直于摩擦層和電極層平面的場(chǎng)強(qiáng)產(chǎn)生靜電感應(yīng), 忽略了聚合物周邊的電場(chǎng)效應(yīng). 根據(jù)靜電感應(yīng)原理, 處于電場(chǎng)中的導(dǎo)體其內(nèi)部電荷會(huì)重新分布, 這為導(dǎo)體在與摩擦材料不接觸的情況下導(dǎo)體表面產(chǎn)生感應(yīng)電信號(hào)提供了途徑. 本文設(shè)計(jì)了一種利用摩擦層周?chē)兓o電場(chǎng)的非接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)(NC-TENG), 研究了硅膠薄膜和丁腈橡膠薄膜在接觸分離過(guò)程中, 導(dǎo)體與摩擦材料的距離、導(dǎo)體感應(yīng)面積尺寸及導(dǎo)體相對(duì)于摩擦材料所處方位等參數(shù)對(duì)感應(yīng)電輸出性能的影響. 結(jié)果表明, 在與摩擦材料完全分離的情況下, NC-TENG 可以產(chǎn)生穩(wěn)定的電信號(hào)輸出. NC-TENG 的感應(yīng)電壓隨著導(dǎo)體與摩擦材料距離的增大而減小, 隨著導(dǎo)體感應(yīng)面積的增大而逐漸增大, 對(duì)于尺寸為30 mm × 30 mm 的摩擦材料, 導(dǎo)體在面積為60 mm × 45 mm 時(shí)NC-TENG 的電輸出趨于穩(wěn)定, 產(chǎn)生約13 V 的開(kāi)路電壓. 此外, 導(dǎo)體相對(duì)于摩擦材料所處的方位對(duì)感應(yīng)電輸出也具有顯著的影響. 本文設(shè)計(jì)的NC-TENG 提供了一種新穎的電輸出產(chǎn)生模式, 為接下來(lái)對(duì)TENG 的研究及自供能傳感器的應(yīng)用提供了更多可能性.

1 引 言

隨著人類(lèi)文明的進(jìn)步, 科技飛速發(fā)展, 社會(huì)對(duì)電能的需求和依賴(lài)性越來(lái)越大. 目前比較成熟的發(fā)電形式包括磁電、摩擦電、壓電、熱電和光電等, 其中磁電設(shè)施整體結(jié)構(gòu)大、成本高、壓電發(fā)電效率較低, 熱電和光電主要用于收集自然能, 易受天氣等因素制約而不穩(wěn)定[1]. 摩擦電憑借摩擦能豐富且存在形式多、摩擦電裝置制作簡(jiǎn)單、在低頻條件下可較高效率地收集微小能量[2?4]等優(yōu)點(diǎn)而受到重視.然而, 摩擦納米發(fā)電機(jī)(TENG)的不足之處在于,雖然能達(dá)到很高的輸出電壓, 但是輸出電流很小,為此國(guó)內(nèi)外學(xué)者將TENG 與其他電磁、光電效應(yīng)、熱電效應(yīng)的發(fā)電方式相結(jié)合[5,6], 研究多種發(fā)電原理的混合納米發(fā)電機(jī), 充分利用兩種或多種原理的發(fā)電特點(diǎn), 實(shí)現(xiàn)對(duì)電子器件的可靠供能.

TENG 的概念由王中林團(tuán)隊(duì)[7]首次提出, 其包括4 種基本模式, 分別是垂直接觸-分離模式[8,9]、滑動(dòng)模式[10,11]、單電極模式[12]和獨(dú)立層模式[13,14],經(jīng)過(guò)這些年的發(fā)展, TENG 被廣泛用于收集生活環(huán)境中存在的能量, 如振動(dòng)能[15?17]、風(fēng)能[18,19]、水波能[20?22]、人體運(yùn)動(dòng)能[23,24]等. TENG 與其他領(lǐng)域的結(jié)合也取得了較好的發(fā)展, 如以TENG 為基礎(chǔ)的自供能傳感器與可穿戴設(shè)備結(jié)合, 可以在脫離外部電源的情況下對(duì)人體運(yùn)動(dòng)狀態(tài)[23,25]、人體健康狀態(tài)[26]以及司機(jī)的駕駛狀態(tài)[27,28]等進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè);與人機(jī)交互和人工智能領(lǐng)域結(jié)合, 可用于實(shí)現(xiàn)身份識(shí)別[29,30]、智能檢測(cè)[31?33]等.

2019 年王中林團(tuán)隊(duì)[34]再次提出第二代TENG的概念, 即基于摩擦起電和靜電擊穿的耦合原理,在傳統(tǒng)TENG 輸出交流電的基礎(chǔ)上進(jìn)行創(chuàng)新, 第二代TENG 可以輸出連續(xù)的直流電流, 以此為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的自供能振動(dòng)傳感器[35]用于橋梁振動(dòng)及安全情況檢測(cè)具有更高的靈敏度和可靠性. 然而, 在之前的有關(guān)TENG 的諸多研究工作中, 均是聚合物與電極層直接接觸或分離距離很小(小于1 mm)[36],然后通過(guò)對(duì)摩擦材料表面進(jìn)行織構(gòu)化處理[37]等增加摩擦材料的真實(shí)接觸面積以提高電輸出性能, 沒(méi)有考慮到起電聚合物周?chē)碾妶?chǎng)效應(yīng). 為了能有效收集起電聚合物周?chē)嬖诘碾妶?chǎng)能量, 本文設(shè)計(jì)了一種基于變化靜電場(chǎng)的非接觸式摩擦納米發(fā)電機(jī)(NC-TENG), 其基于摩擦起電和近場(chǎng)靜電感應(yīng)原理, 在感應(yīng)導(dǎo)體和摩擦材料完全分離的情況下仍可以產(chǎn)生穩(wěn)定的電信號(hào)輸出, 拓寬了TENG 的應(yīng)用場(chǎng)合, 為接下來(lái)對(duì)TENG 的進(jìn)一步研究提供了借鑒.

2 實(shí) 驗(yàn)

2.1 硅膠薄膜的制備

將Ecoflex 00-30 硅橡膠的A, B 膠按照1∶1的質(zhì)量比混合攪拌均勻, 在真空腔中真空脫氣20 min,除去混合液中的氣泡; 為了便于揭膜, 先將硅片浸入在聚十八烷基三氯硅烷(OTS)/甲苯溶液中, 使硅片表面自組裝一層OTS 分子膜, 從而降低硅片的表面能; 將經(jīng)過(guò)真空脫氣的Eco-flex 00-30 倒在處理過(guò)的硅片上, 利用刮膜器按照設(shè)定好的厚度,刮出所需厚度的薄膜; 接著將涂有Eco-flex 00-30混合物的硅片放在干燥箱中, 在60 ℃下固化40 min,最后將硅膠薄膜從硅片表面剝離.

2.2 NC-TENG 裝置制備

為了促進(jìn)兩個(gè)摩擦層在外力作用下有效地接觸分離, 設(shè)計(jì)了以圖1(a)所示的垂直接觸-分離結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)模型的NC-TENG. 以亞克力板作為NCTENG 的支撐基板, 選用亞克力雙面膠作為摩擦材料的基底并分別貼在亞克力板的內(nèi)表面, 如圖1(a)所示, 將硅膠和丁腈橡膠依次貼在上、下基板的亞克力雙面膠基底表面作為摩擦材料, 再在其四角分布四個(gè)支撐彈簧, 彈簧內(nèi)部安裝一個(gè)螺柱, 其中彈簧有助于儲(chǔ)存機(jī)械能量和保持加卸載過(guò)程中兩個(gè)摩擦層之間的間隙距離均勻, 螺柱限制其在水平方向的運(yùn)動(dòng), 保障了兩表面的可靠接觸. NC-TENG的實(shí)物圖如圖1(b)所示.

圖1 (a) NC-TENG 裝置3D 示意圖; (b) NC-TENG 實(shí)物圖Fig. 1. (a) 3D schematic of NC-TENG; (b) physical picture of NC-TENG.

2.3 NC-TENG 性能測(cè)試平臺(tái)

本文采用商用泰克示波器(Tektronix TBS110 2B)對(duì)NC-TENG 的輸出電壓進(jìn)行測(cè)量, 數(shù)據(jù)采集卡采用P5100A 無(wú)源高壓探頭. 利用曲柄連桿機(jī)構(gòu)作為振動(dòng)源, 裝置整體示意圖如圖2 所示, 在空氣濕度RH(45%—48%)、室溫(20 ℃)和大氣壓力下獲得NC-TENG 的電輸出隨導(dǎo)體距摩擦材料距離變化的關(guān)系曲線(xiàn); 通過(guò)改變導(dǎo)體的面積, 保持導(dǎo)體距摩擦材料距離不變, 獲得NC-TENG 的電輸出與導(dǎo)體面積變化的關(guān)系; 通過(guò)改變導(dǎo)體相對(duì)于摩擦材料所處方位, 保持導(dǎo)體面積、導(dǎo)體距摩擦材料距離不變, 獲得NC-TENG 的電輸出與導(dǎo)體相對(duì)于摩擦材料所處方位的變化關(guān)系.

圖2 輸出性能測(cè)試裝置示意圖Fig. 2. Schematic diagram of the output performance test.

3 理論分析

3.1 數(shù)值分析

圖3 是電場(chǎng)的簡(jiǎn)單描述, 電場(chǎng)是電荷及變化磁場(chǎng)的周?chē)臻g內(nèi)存在的一種特殊物質(zhì), 這種物質(zhì)與通常的實(shí)物不同, 它雖然不是由分子原子組成的,但只要電荷存在, 它周?chē)痛嬖陔妶?chǎng), 電場(chǎng)是客觀存在的, 它具有力和能的特性. 電場(chǎng)的基本性質(zhì)之一是對(duì)放入其中的電荷有力的作用, 另一個(gè)性質(zhì)是能使放入電場(chǎng)中的導(dǎo)體產(chǎn)生靜電感應(yīng)現(xiàn)象, 即放在電場(chǎng)中的導(dǎo)體其內(nèi)部電荷會(huì)根據(jù)所處電場(chǎng)的性質(zhì)而進(jìn)行重新分布.

圖3 電場(chǎng)的簡(jiǎn)要描述 (a)電場(chǎng)的方向以及電場(chǎng)強(qiáng)度的判斷; (b)靜電感應(yīng)原理圖Fig. 3. A brief description of the electric field , including:(a) The direction of the electric field and the judgment of the electric field strength; (b) the principle diagram of electrostatic induction.

麥克斯韋位移電流公式為

其中D代表位移場(chǎng),E代表電場(chǎng),P代表極化場(chǎng)密度,εo為空氣的介電常數(shù), 位移電流(JD)[38]是由于時(shí)間變化的電場(chǎng)(真空或介質(zhì)中)再加上隨時(shí)間變化的原子束縛電荷微小運(yùn)動(dòng)和材料中的電介質(zhì)極化, 在一般的各項(xiàng)同性介質(zhì)中, 第二項(xiàng)和第一項(xiàng)合并起來(lái), 位移電流就變?yōu)橛纱送茖?dǎo)出電磁波的基本理論. 正是因?yàn)檫@兩項(xiàng)的合并, 人們“忘記”了位移電流和能源的直接關(guān)系. 然而在表面極化電荷存在的介質(zhì)中, 如壓電材料和摩擦材料中, 位移電流中就有由表面靜電荷引起的極化密度的貢獻(xiàn)Ps, 如下式:

其中第一項(xiàng)是變化的電場(chǎng)所產(chǎn)生的感應(yīng)電流, 是電磁波存在的理論基礎(chǔ); 第二項(xiàng)是由表面所帶的靜電荷產(chǎn)生的極化場(chǎng)而引起的電流, 它是納米發(fā)電機(jī)的根本理論基礎(chǔ)和來(lái)源. 這里的由靜電荷產(chǎn)生的極化場(chǎng)就是我們所說(shuō)的靜電場(chǎng).

建立如圖4 所示的垂直接觸式TENGV-Q-x模型, 在該結(jié)構(gòu)中, 丁腈橡膠和硅膠作為摩擦層其表面的電荷由摩擦產(chǎn)生, 分別為±σ, 感應(yīng)導(dǎo)體鋁(Al)表面的電荷由兩部分組成, 一部分是靜電感應(yīng)產(chǎn)生的電荷量(Sσ), 另一部分是與地端之間轉(zhuǎn)移的電荷量(-Q), 故感應(yīng)導(dǎo)體Al 上的電荷量為Sσ-Q, 感應(yīng)導(dǎo)體Al 與地端的電壓為

其中S為感應(yīng)導(dǎo)體的面積,σ表示電荷密度,do為摩擦材料的厚度,g(t) 為導(dǎo)體與摩擦材料的距離,x(t)為摩擦材料的分離距離. 開(kāi)路狀態(tài)時(shí), 電荷轉(zhuǎn)移量Q為0, 代入(3)式可得開(kāi)路電壓Voc:

短路狀態(tài)下電壓V為0, 代入(3)式可得短路狀態(tài)下電荷轉(zhuǎn)移量Qsc,

圖4 垂直接觸TENG 的V-Q-x 模型Fig. 4. V-Q-x model of vertical contact TENGs.

3.2 有限元分析

下面對(duì)垂直接觸-分離模式TENG 表面電勢(shì)隨位移變化進(jìn)行模擬仿真, 來(lái)說(shuō)明材料表面靜電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)的變化過(guò)程, 并進(jìn)一步闡述基于變化靜電場(chǎng)的NC-TENG 的工作原理. 圖5 為垂直接觸-分離式TENG 摩擦材料表面電勢(shì)隨分離距離變化的模擬圖.

圖5 不同分離距離的電勢(shì)分布圖 (a) d= 1 mm; (b) d= 4 mm; (c) d= 7 mm; (d) d= 10 mmFig. 5. The potential distribution picture with different distance: (a) d= 1 mm; (b) d= 4 mm; (c) d= 7 mm; (d) d= 10 mm.

以垂直接觸-分離模式TENG 為例, 上下兩種電負(fù)性不同的起電材料在接觸-分離過(guò)程中, 電子的得失會(huì)使得兩種材料在表面形成電勢(shì)差, 隨著分離距離的進(jìn)一步增大, 兩種摩擦材料表面的顏色加深, 即二者之間的電勢(shì)差也在不斷增大, 得到電子的材料表面呈負(fù)電性, 失去電子的材料表面呈正電性; 有電荷存在, 就會(huì)有電場(chǎng)產(chǎn)生, 不斷變化的分離距離使得兩種材料表面帶電的靜電荷數(shù)量不斷變化, 由此產(chǎn)生的靜電場(chǎng)強(qiáng)度也在不斷變化. 根據(jù)靜電感應(yīng)原理, 處于該靜電場(chǎng)中的導(dǎo)體內(nèi)部電荷隨著電場(chǎng)性質(zhì)的變化而不斷運(yùn)動(dòng)以達(dá)到重新分布, 因此導(dǎo)體表面與地端產(chǎn)生了電勢(shì)差, 電子在導(dǎo)體表面與地端之間流動(dòng), 在導(dǎo)體表面就產(chǎn)生了感應(yīng)電流.其他三種模式TENG 所產(chǎn)生的變化靜電場(chǎng)引起的感應(yīng)電信號(hào)的原理與垂直接觸-分離模式類(lèi)似, 在此不多加贅述.

3.3 NC-TENG 工作原理分析

以垂直接觸-分離模式為例, 此時(shí)令導(dǎo)體與丁腈橡膠位于同一平面. 如圖6 狀態(tài)(i)所示, 當(dāng)丁腈橡膠與硅膠接觸時(shí), 由于丁腈橡膠和硅膠具有較大差異的電負(fù)性, 等量異種電荷被聚集到丁腈橡膠和硅膠的接觸表面, 此時(shí)兩種聚合物均呈電中性,導(dǎo)體表面沒(méi)有產(chǎn)生電信號(hào). 當(dāng)丁腈橡膠和硅膠開(kāi)始分離時(shí), 如圖6 狀態(tài)(ii)所示, 丁腈橡膠表面由于失去電子帶正電, 硅膠表面由于得到電子帶負(fù)電.此時(shí)丁腈橡膠表面所帶正靜電荷產(chǎn)生正的靜電場(chǎng),根據(jù)靜電感應(yīng), 在電場(chǎng)中的導(dǎo)體內(nèi)部電荷會(huì)根據(jù)電場(chǎng)性質(zhì)而運(yùn)動(dòng)以達(dá)到重新分布, 所以此時(shí)導(dǎo)體的表面會(huì)因?yàn)殪o電感應(yīng)效果而與地端產(chǎn)生電勢(shì)差, 導(dǎo)體表面電勢(shì)小于地端電勢(shì), 因此導(dǎo)體表面會(huì)有電子向地端流動(dòng)以達(dá)到靜電平衡, 此時(shí)導(dǎo)體表面產(chǎn)生正的電信號(hào)輸出. 隨著丁腈橡膠與硅膠的分離距離逐漸變大, 二者之間的電勢(shì)差也逐漸變大, 丁腈橡膠表面帶有更多的靜電荷且在其周?chē)a(chǎn)生更大電場(chǎng)強(qiáng)度的靜電場(chǎng), 導(dǎo)體感受到的靜電感應(yīng)效果增強(qiáng), 導(dǎo)體表面產(chǎn)生的電信號(hào)輸出也逐漸變大, 如圖6 狀態(tài)(iii)所示. 如圖6 狀態(tài)(iv)所示, 當(dāng)丁腈橡膠受到外力作用與硅膠之間的距離逐漸變小時(shí), 丁腈橡膠與硅膠之間的電勢(shì)差逐漸變小, 導(dǎo)體受到靜電感應(yīng)的效果也變小,此時(shí)地端電勢(shì)高于導(dǎo)體表面電勢(shì),電子由地端回流到導(dǎo)體表面,因此在導(dǎo)體表面產(chǎn)生負(fù)的電信號(hào)輸出.隨著丁腈橡膠與硅膠的距離進(jìn)一步減小時(shí),NC-TENG回到狀態(tài)(i)并進(jìn)入循環(huán)狀態(tài),NC-TENG產(chǎn)生循環(huán)穩(wěn)定的交變電信號(hào).

圖6 基于變化靜電場(chǎng)的NC-TENG工作原理圖(i)初始狀態(tài),丁腈橡膠與硅膠剛接觸;(ii)丁腈橡膠與硅膠逐漸分離,丁腈橡膠和硅膠表面所帶靜電荷產(chǎn)生靜電場(chǎng);(iii)丁腈橡膠和硅膠分離到最大距離,此時(shí)丁腈橡膠和硅膠之間電勢(shì)差達(dá)到最大;(iv)丁腈橡膠和硅膠分離距離逐漸減小,彼此之間的電勢(shì)差也在減小Fig.6.W orking princip le diagram of NC-TENG based on changing electrostatic field:(i)Initial state,nitrile rubber and silicone rubber are just in contact;(ii)nitrile rubber and silicone rubber are gradually separated,the surface of nitrile rubber and silicone rubber is charged and generate an electrostatic field;(iii)the nitrile rubber and the silicone rubber are separated to themaximum distance,at this time the potential difference between the nitrile rubber and the silicone rubber reaches the maximum;(iv)the separation distance between the nitrile rubber and the silicone rubber gradually decreases and the potential difference between them is also decreasing.

4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

實(shí)驗(yàn)研究了NC-TENG 電信號(hào)輸出的影響因素和影響規(guī)律,具體包括:導(dǎo)體距摩擦材料的距離、導(dǎo)體的面積以及導(dǎo)體相對(duì)摩擦材料所處的方位對(duì)NC-TENG產(chǎn)生的感應(yīng)電輸出大小的影響,具體研究結(jié)果如下.

以垂直接觸-分離式為例,NC-TENG的上下起電材料分別為硅膠和丁腈橡膠, 面積均為30mm ×30mm,其中硅膠具有較高的電負(fù)性,容易得到電子,丁腈橡膠電負(fù)性較弱,容易失去電子,商用A l 膠帶作為NC-TENG中收集感應(yīng)電信號(hào)的導(dǎo)體,導(dǎo)體與數(shù)據(jù)采集卡的正極連接.

4.1 感應(yīng)電壓與導(dǎo)體距摩擦材料距離的關(guān)系

如圖7(a)和圖7(b)所示,實(shí)驗(yàn)研究了NCTENG感應(yīng)電壓與導(dǎo)體距摩擦材料距離的關(guān)系,其中導(dǎo)體的面積為30 mm×45 mm保持不變,且導(dǎo)體與丁腈橡膠位于同一平面上,改變導(dǎo)體距丁腈橡膠的水平距離并檢測(cè)感應(yīng)電壓的變化.測(cè)量結(jié)果表明,當(dāng)導(dǎo)體距起電層的水平距離由1mm變化到55mm時(shí),感應(yīng)電壓由18 V逐漸降低至3 V.原因是隨著導(dǎo)體距摩擦材料距離的變大,導(dǎo)體所能感應(yīng)到的靜電場(chǎng)的強(qiáng)度變化越來(lái)越小,靜電感應(yīng)的效果越來(lái)越低,根據(jù)公式

導(dǎo)體表面感應(yīng)電荷密度降低,所以使得NC-TENG的電信號(hào)輸出降低.

4.2 感應(yīng)電壓與導(dǎo)體面積的關(guān)系

如圖7(a)和圖7(c)所示,實(shí)驗(yàn)研究了NCTENG感應(yīng)電壓與導(dǎo)體面積變化的關(guān)系,其中導(dǎo)體距起電層的距離為15mm保持不變,且導(dǎo)體與丁腈橡膠位于同一平面上,通過(guò)改變導(dǎo)體的面積大小檢測(cè)感應(yīng)電壓的變化.測(cè)量結(jié)果表明,當(dāng)導(dǎo)體的面積由30mm×30mm逐步增大至45mm×60mm時(shí),感應(yīng)電壓也逐步變大,且增大趨勢(shì)越來(lái)越緩并在導(dǎo)體面積為45mm×60mm時(shí)趨于穩(wěn)定.原因是當(dāng)導(dǎo)體的面積不斷變化時(shí),位于變化靜電場(chǎng)內(nèi)的導(dǎo)體所受靜電感應(yīng)效果變強(qiáng),導(dǎo)體內(nèi)部受電場(chǎng)性質(zhì)影響而運(yùn)動(dòng)的電荷數(shù)量變多,即導(dǎo)體表面的感應(yīng)電荷密度σ增加,因此NC-TENG的感應(yīng)電信號(hào)變大;當(dāng)導(dǎo)體的面積進(jìn)一步增大時(shí),由變化電場(chǎng)強(qiáng)度帶來(lái)的導(dǎo)體內(nèi)部運(yùn)動(dòng)電荷的數(shù)量趨于飽和,導(dǎo)體表面的感應(yīng)電荷密度也趨于穩(wěn)定,因此NCTENG的電信號(hào)輸出增大得越來(lái)越緩并最終趨于穩(wěn)定.

圖7 基于變化靜化場(chǎng)的NC-TENG 結(jié)構(gòu)圖及輸出測(cè)量圖 (a) NC-TENG 結(jié)構(gòu)圖; (b) 距摩擦材料不同距離時(shí)的輸出性能;(c) 不同導(dǎo)體面積時(shí)的輸出性能Fig. 7. Structure diagram of NC-TENG based on changing electrostatic field and electrical signal output measurement diagram:(a) Structure diagram of NC-TENG; (b) the output performance of the TENG under different distance from the friction material;(c) the output performance of the TENG under different conductor area.

4.3 感應(yīng)電壓與導(dǎo)體相對(duì)于摩擦材料所處方位的關(guān)系

圖8為基于變化靜電場(chǎng)的NC-TENG 電信號(hào)輸出與導(dǎo)體所處方位的關(guān)系圖, 圖8(a)和圖8(b)為導(dǎo)體分別處于硅膠正上方、丁腈橡膠正下方以及相應(yīng)的電信號(hào)輸出圖, 實(shí)驗(yàn)研究了感應(yīng)電壓大小與導(dǎo)體相對(duì)于摩擦材料的方位的關(guān)系, 其中導(dǎo)體的面積為30 mm × 45 mm 保持不變, 導(dǎo)體分別置于丁腈橡膠的正下方以及硅膠的正上方, 且二者的相對(duì)距離相等(5 mm). 黑色線(xiàn)條表示的是導(dǎo)體置于硅膠正上方時(shí)NC-TENG 的電信號(hào), 紅色線(xiàn)條表示的是導(dǎo)體置于丁腈橡膠正下方時(shí)NC-TENG 的電信號(hào); 黑色線(xiàn)條顯示負(fù)電壓大于正電壓. 這個(gè)結(jié)果的原因是當(dāng)硅膠與丁腈橡膠接觸-分離時(shí), 導(dǎo)體距離硅膠更近, 而硅膠表面由于得到電子帶負(fù)的靜電, 因此NC-TENG 的感應(yīng)電信號(hào)更多的是由硅膠表面所帶負(fù)電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)決定; 同理, 紅色線(xiàn)條顯示正電壓大于負(fù)電壓, 原因是NC-TENG的感應(yīng)電信號(hào)更多的是由丁腈橡膠表面所帶正電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)決定.

圖8(c)和圖8(d)為導(dǎo)體距離硅膠/丁腈橡膠15 mm 且分別位于硅膠、丁腈橡膠同一平面以及相應(yīng)的電信號(hào)輸出圖, 當(dāng)有兩個(gè)作為收集感應(yīng)電信號(hào)的導(dǎo)體(導(dǎo)體1 號(hào)和導(dǎo)體2 號(hào))分別與硅膠和丁腈橡膠位于同一平面時(shí), 硅膠和丁腈橡膠接觸-分離, 硅膠表面得到電子帶負(fù)電, 丁腈橡膠表面失去電子帶正電, 隨著二者分離距離的變化, 硅膠和丁腈橡膠表面間的電勢(shì)差也在變化, 因此材料表面靜電荷產(chǎn)生的靜電場(chǎng)強(qiáng)度也發(fā)生變化. 對(duì)于導(dǎo)體1 號(hào), 其處于負(fù)的靜電場(chǎng)支配下, 當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度由大變小時(shí)NC-TENG 產(chǎn)生正的電信號(hào)輸出, 當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度由小變大時(shí)NC-TENG 產(chǎn)生負(fù)的電信號(hào)輸出.對(duì)于導(dǎo)體2 號(hào), 其處于正的靜電場(chǎng)支配下, 此時(shí)NC-TENG 產(chǎn)生的電信號(hào)輸出與導(dǎo)體1 號(hào)相反, 當(dāng)電場(chǎng)強(qiáng)度由小變大時(shí)NC-TENG 產(chǎn)生正的電信號(hào)輸出, 電場(chǎng)強(qiáng)度由大變小時(shí)NC-TENG 產(chǎn)生負(fù)的電輸出.

與位于摩擦材料同一平面位置相比, 感應(yīng)導(dǎo)體位于摩擦材料正上/下方時(shí)NC-TENG 的電輸出更大, 這是因?yàn)閷?dǎo)體位于摩擦材料正上/下方時(shí)距離靜電場(chǎng)中心更近, 因此受到的靜電感應(yīng)效果更強(qiáng), 內(nèi)部電荷的重新分布運(yùn)動(dòng)更劇烈, 因此感應(yīng)電信號(hào)輸出更大; 而NC-TENG 的電信號(hào)方向則與感應(yīng)導(dǎo)體所處?kù)o電場(chǎng)的性質(zhì)即摩擦材料的電負(fù)性有關(guān).

圖8 基于變化靜電場(chǎng)的NC-TENG電信號(hào)輸出與導(dǎo)體所處方位關(guān)系圖(a)導(dǎo)體處于硅膠正上方和丁腈橡膠正下方以及(b)相應(yīng)的電信號(hào)輸出;(c)導(dǎo)體距離硅膠/丁腈橡膠15mm 且分別位于硅膠同一平面和丁腈橡膠同一平面以及(d)相應(yīng)的電信號(hào)輸出Fig.8.Research on the relationship between the electrical signal output of the NC-TENG and the position of the conductor:(a)The conductor is directly above the silicone rubber and directly under the nitrile rubber and(b)the corresponding electrical signal output;(c)the conductor is 15 mm away from the silicone/nitrile rubber and is located on the sam e plane of silicone and nitrile rubber and (d)the corresponding electrical signal output.

5 總 結(jié)

根據(jù)摩擦起電和近場(chǎng)靜電感應(yīng)原理,本文創(chuàng)新地提出了一種基于變化靜電場(chǎng)的NC-TENG,利用摩擦材料接觸分離過(guò)程中在接觸區(qū)域外產(chǎn)生的電場(chǎng),實(shí)現(xiàn)非接觸區(qū)域內(nèi)導(dǎo)體的靜電感應(yīng),從而使TENG的起電聚合物和電極層分開(kāi),分離距離最大可達(dá)55mm.實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,NC-TENG的感應(yīng)電信號(hào)輸出主要與以下3個(gè)因素有關(guān):

1)導(dǎo)體距摩擦材料的距離增大,TENG的電信號(hào)輸出逐漸減小;

2)導(dǎo)體面積增大,TENG的電信號(hào)輸出也增大并逐漸趨于飽和;

3)導(dǎo)體相對(duì)于摩擦材料的所處方位對(duì)TENG電信號(hào)輸出的正負(fù)性有直接關(guān)系:在摩擦材料分離的瞬間,當(dāng)導(dǎo)體更靠近電負(fù)性較高的聚合物時(shí),NC-TENG產(chǎn)生負(fù)的電信號(hào)輸出;當(dāng)導(dǎo)體更靠近電負(fù)性較低的聚合物時(shí),NC-TENG則產(chǎn)生正的電信號(hào)輸出.

此研究工作將為非接觸式自供能傳感器、電子防護(hù)屏蔽等提供理論支撐.