力学所等在杠杆式摩擦纳米发电机研究中获进展

摩擦纳米发电机通过接触起电和静电感应可以广泛地收集机械能，经过多年发展，摩擦纳米发电机在机械能收集和自供电传感方面展现出广泛应用。接触分离模式是摩擦纳米发电机常见的工作模式，为了提高接触分离式摩擦纳米发电机的输出信号，此前研究者做了很多工作。比如，对摩擦层表面进行微结构处理，增加表面电荷密度；针对接触分离式摩擦纳米发电机空间充足的特点，采用多层设计的办法来增加储存电荷的面积；通过为摩擦纳米发电机增加电荷泵，突破摩擦层最大表面电荷密度的限制。上述策略都是以提高表面电荷量为目的。然而信号的大小不仅与电荷转移量有关，还和电荷转移速度有关。

近日，中国科学院力学研究所研究团队与中科院北京纳米能源与系统研究所研究团队合作，提出了以提高电荷转移速度为目的的新策略，并开发了接触分离式的力学杠杆式摩擦纳米发电机（图1）。通过改变力学杠杆比来改变接触分离速度，在不改变电荷转移量的情况下也能大幅提高信号输出。为了适应杠杆独有的旋转运动，研究人员将上摩擦层设计成弧形，研究了不同压缩应变下弧形摩擦层的电学特性和力学特性。当放大倍数从22倍增大到50倍时，杠杆式摩擦纳米发电机的电压信号大小从91 V增加到232 V，最大功率从83 μW增加到1031 μW（图2）。杠杆式摩擦纳米发电机还可以作为自供电脉搏传感器，在没有经过表面预处理的情况下得到12.3 V的脉搏信号（图3）。这项工作展示了一种提高接触分离式摩擦纳米发电机信号的新思路，在提高接触分离式摩擦纳米发电机的能量收集设备和自供电传感器的信号方面拥有较大潜力。

该工作近期发表在Nano Energy上。

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图1 杠杆式摩擦纳米发电机的模型及原理图。(a)杠杆式摩擦纳米发电机的模型；(b)角速度原理图；(c)摩擦纳米发电机的电流原理图

图2 杠杆式摩擦纳米发电机的电学测量。（a）不同速度下和（b）不同位置下的信号测试；不同放大倍数下的（c）信号图和（d）信号波形图；（e）不同放大倍数下的功率图；（f）22倍和（g）50倍放大下的电压功率图

图3 杠杆式摩擦纳米发电机的力学分析及脉搏测量应用展示。（a）杠杆式摩擦纳米发电机的力学分析；（b）杠杆式摩擦纳米发电机的动力学模型；杠杆式摩擦纳米发电机的（c）位移-速度-时间图和（d）幅度比-固有频率比图；杠杆式摩擦纳米发电机测量脉搏的（e）实物图和（f）信号图；（g）杠杆式摩擦纳米发电机测的脉搏信号大小和其他文献的对比