基于變化靜電場的非接觸式摩擦納米發電機設計與研究*

曹杰 顧偉光 曲召奇 仲艷 程廣貴 張忠強

(江蘇大學智能柔性機械電子研究院, 鎮江 212013)

基于接觸生電與靜電感應原理的摩擦納米發電機(TENG)及其自供能傳感器在新能源和物聯網等領域有重要的應用前景. 存在電負性差異的聚合物材料在接觸分離過程中, 由于電子的轉移, 在聚合物周圍空間會產生變化的靜電場, 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強產生靜電感應, 忽略了聚合物周邊的電場效應. 根據靜電感應原理, 處于電場中的導體其內部電荷會重新分布, 這為導體在與摩擦材料不接觸的情況下導體表面產生感應電信號提供了途徑. 本文設計了一種利用摩擦層周圍變化靜電場的非接觸式摩擦納米發電機(NC-TENG), 研究了硅膠薄膜和丁腈橡膠薄膜在接觸分離過程中, 導體與摩擦材料的距離、導體感應面積尺寸及導體相對于摩擦材料所處方位等參數對感應電輸出性能的影響. 結果表明, 在與摩擦材料完全分離的情況下, NC-TENG 可以產生穩定的電信號輸出. NC-TENG 的感應電壓隨著導體與摩擦材料距離的增大而減小, 隨著導體感應面積的增大而逐漸增大, 對于尺寸為30 mm × 30 mm 的摩擦材料, 導體在面積為60 mm × 45 mm 時NC-TENG 的電輸出趨于穩定, 產生約13 V 的開路電壓. 此外, 導體相對于摩擦材料所處的方位對感應電輸出也具有顯著的影響. 本文設計的NC-TENG 提供了一種新穎的電輸出產生模式, 為接下來對TENG 的研究及自供能傳感器的應用提供了更多可能性.

1 引 言

隨著人類文明的進步, 科技飛速發展, 社會對電能的需求和依賴性越來越大. 目前比較成熟的發電形式包括磁電、摩擦電、壓電、熱電和光電等, 其中磁電設施整體結構大、成本高、壓電發電效率較低, 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、摩擦電裝置制作簡單、在低頻條件下可較高效率地收集微小能量[2?4]等優點而受到重視.然而, 摩擦納米發電機(TENG)的不足之處在于,雖然能達到很高的輸出電壓, 但是輸出電流很小,為此國內外學者將TENG 與其他電磁、光電效應、熱電效應的發電方式相結合[5,6], 研究多種發電原理的混合納米發電機, 充分利用兩種或多種原理的發電特點, 實現對電子器件的可靠供能.

TENG 的概念由王中林團隊[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]、滑動模式[10,11]、單電極模式[12]和獨立層模式[13,14],經過這些年的發展, TENG 被廣泛用于收集生活環境中存在的能量, 如振動能[15?17]、風能[18,19]、水波能[20?22]、人體運動能[23,24]等. TENG 與其他領域的結合也取得了較好的發展, 如以TENG 為基礎的自供能傳感器與可穿戴設備結合, 可以在脫離外部電源的情況下對人體運動狀態[23,25]、人體健康狀態[26]以及司機的駕駛狀態[27,28]等進行實時監測;與人機交互和人工智能領域結合, 可用于實現身份識別[29,30]、智能檢測[31?33]等.

2019 年王中林團隊[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TENG 輸出交流電的基礎上進行創新, 第二代TENG 可以輸出連續的直流電流, 以此為基礎設計的自供能振動傳感器[35]用于橋梁振動及安全情況檢測具有更高的靈敏度和可靠性. 然而, 在之前的有關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],然后通過對摩擦材料表面進行織構化處理[37]等增加摩擦材料的真實接觸面積以提高電輸出性能, 沒有考慮到起電聚合物周圍的電場效應. 為了能有效收集起電聚合物周圍存在的電場能量, 本文設計了一種基于變化靜電場的非接觸式摩擦納米發電機(NC-TENG), 其基于摩擦起電和近場靜電感應原理, 在感應導體和摩擦材料完全分離的情況下仍可以產生穩定的電信號輸出, 拓寬了TENG 的應用場合, 為接下來對TENG 的進一步研究提供了借鑒.

2 實 驗

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; 將經過真空脫氣的Eco-flex 00-30 倒在處理過的硅片上, 利用刮膜器按照設定好的厚度,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

為了促進兩個摩擦層在外力作用下有效地接觸分離, 設計了以圖1(a)所示的垂直接觸-分離結構為基礎模型的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支撐彈簧, 彈簧內部安裝一個螺柱, 其中彈簧有助于儲存機械能量和保持加卸載過程中兩個摩擦層之間的間隙距離均勻, 螺柱限制其在水平方向的運動, 保障了兩表面的可靠接觸. NC-TENG的實物圖如圖1(b)所示.

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

2.3 NC-TENG 性能測試平臺

本文采用商用泰克示波器(Tektronix TBS110 2B)對NC-TENG 的輸出電壓進行測量, 數據采集卡采用P5100A 無源高壓探頭. 利用曲柄連桿機構作為振動源, 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 的電輸出隨導體距摩擦材料距離變化的關系曲線; 通過改變導體的面積, 保持導體距摩擦材料距離不變, 獲得NC-TENG 的電輸出與導體面積變化的關系; 通過改變導體相對于摩擦材料所處方位, 保持導體面積、導體距摩擦材料距離不變, 獲得NC-TENG 的電輸出與導體相對于摩擦材料所處方位的變化關系.

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

3 理論分析

3.1 數值分析

圖3 是電場的簡單描述, 電場是電荷及變化磁場的周圍空間內存在的一種特殊物質, 這種物質與通常的實物不同, 它雖然不是由分子原子組成的,但只要電荷存在, 它周圍就存在電場, 電場是客觀存在的, 它具有力和能的特性. 電場的基本性質之一是對放入其中的電荷有力的作用, 另一個性質是能使放入電場中的導體產生靜電感應現象, 即放在電場中的導體其內部電荷會根據所處電場的性質而進行重新分布.

圖3 電場的簡要描述 (a)電場的方向以及電場強度的判斷; (b)靜電感應原理圖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,E代表電場,P代表極化場密度,εo為空氣的介電常數, 位移電流(JD)[38]是由于時間變化的電場(真空或介質中)再加上隨時間變化的原子束縛電荷微小運動和材料中的電介質極化, 在一般的各項同性介質中, 第二項和第一項合并起來, 位移電流就變為由此推導出電磁波的基本理論. 正是因為這兩項的合并, 人們“忘記”了位移電流和能源的直接關系. 然而在表面極化電荷存在的介質中, 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Ps, 如下式:

其中第一項是變化的電場所產生的感應電流, 是電磁波存在的理論基礎; 第二項是由表面所帶的靜電荷產生的極化場而引起的電流, 它是納米發電機的根本理論基礎和來源. 這里的由靜電荷產生的極化場就是我們所說的靜電場.

建立如圖4 所示的垂直接觸式TENGV-Q-x模型, 在該結構中, 丁腈橡膠和硅膠作為摩擦層其表面的電荷由摩擦產生, 分別為±σ, 感應導體鋁(Al)表面的電荷由兩部分組成, 一部分是靜電感應產生的電荷量(Sσ), 另一部分是與地端之間轉移的電荷量(-Q), 故感應導體Al 上的電荷量為Sσ-Q, 感應導體Al 與地端的電壓為

其中S為感應導體的面積,σ表示電荷密度,do為摩擦材料的厚度,g(t) 為導體與摩擦材料的距離,x(t)為摩擦材料的分離距離. 開路狀態時, 電荷轉移量Q為0, 代入(3)式可得開路電壓Voc:

短路狀態下電壓V為0, 代入(3)式可得短路狀態下電荷轉移量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

下面對垂直接觸-分離模式TENG 表面電勢隨位移變化進行模擬仿真, 來說明材料表面靜電荷產生的靜電場的變化過程, 并進一步闡述基于變化靜電場的NC-TENG 的工作原理. 圖5 為垂直接觸-分離式TENG 摩擦材料表面電勢隨分離距離變化的模擬圖.

圖5 不同分離距離的電勢分布圖 (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, 上下兩種電負性不同的起電材料在接觸-分離過程中, 電子的得失會使得兩種材料在表面形成電勢差, 隨著分離距離的進一步增大, 兩種摩擦材料表面的顏色加深, 即二者之間的電勢差也在不斷增大, 得到電子的材料表面呈負電性, 失去電子的材料表面呈正電性; 有電荷存在, 就會有電場產生, 不斷變化的分離距離使得兩種材料表面帶電的靜電荷數量不斷變化, 由此產生的靜電場強度也在不斷變化. 根據靜電感應原理, 處于該靜電場中的導體內部電荷隨著電場性質的變化而不斷運動以達到重新分布, 因此導體表面與地端產生了電勢差, 電子在導體表面與地端之間流動, 在導體表面就產生了感應電流.其他三種模式TENG 所產生的變化靜電場引起的感應電信號的原理與垂直接觸-分離模式類似, 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, 此時令導體與丁腈橡膠位于同一平面. 如圖6 狀態(i)所示, 當丁腈橡膠與硅膠接觸時, 由于丁腈橡膠和硅膠具有較大差異的電負性, 等量異種電荷被聚集到丁腈橡膠和硅膠的接觸表面, 此時兩種聚合物均呈電中性,導體表面沒有產生電信號. 當丁腈橡膠和硅膠開始分離時, 如圖6 狀態(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電.此時丁腈橡膠表面所帶正靜電荷產生正的靜電場,根據靜電感應, 在電場中的導體內部電荷會根據電場性質而運動以達到重新分布, 所以此時導體的表面會因為靜電感應效果而與地端產生電勢差, 導體表面電勢小于地端電勢, 因此導體表面會有電子向地端流動以達到靜電平衡, 此時導體表面產生正的電信號輸出. 隨著丁腈橡膠與硅膠的分離距離逐漸變大, 二者之間的電勢差也逐漸變大, 丁腈橡膠表面帶有更多的靜電荷且在其周圍產生更大電場強度的靜電場, 導體感受到的靜電感應效果增強, 導體表面產生的電信號輸出也逐漸變大, 如圖6 狀態(iii)所示. 如圖6 狀態(iv)所示, 當丁腈橡膠受到外力作用與硅膠之間的距離逐漸變小時, 丁腈橡膠與硅膠之間的電勢差逐漸變小, 導體受到靜電感應的效果也變小,此時地端電勢高于導體表面電勢,電子由地端回流到導體表面,因此在導體表面產生負的電信號輸出.隨著丁腈橡膠與硅膠的距離進一步減小時,NC-TENG回到狀態(i)并進入循環狀態,NC-TENG產生循環穩定的交變電信號.

圖6 基于變化靜電場的NC-TENG工作原理圖(i)初始狀態,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生靜電場;(iii)丁腈橡膠和硅膠分離到最大距離,此時丁腈橡膠和硅膠之間電勢差達到最大;(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 實驗結果與討論

實驗研究了NC-TENG 電信號輸出的影響因素和影響規律,具體包括:導體距摩擦材料的距離、導體的面積以及導體相對摩擦材料所處的方位對NC-TENG產生的感應電輸出大小的影響,具體研究結果如下.

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性,容易得到電子,丁腈橡膠電負性較弱,容易失去電子,商用A l 膠帶作為NC-TENG中收集感應電信號的導體,導體與數據采集卡的正極連接.

4.1 感應電壓與導體距摩擦材料距離的關系

如圖7(a)和圖7(b)所示,實驗研究了NCTENG感應電壓與導體距摩擦材料距離的關系,其中導體的面積為30 mm×45 mm保持不變,且導體與丁腈橡膠位于同一平面上,改變導體距丁腈橡膠的水平距離并檢測感應電壓的變化.測量結果表明,當導體距起電層的水平距離由1mm變化到55mm時,感應電壓由18 V逐漸降低至3 V.原因是隨著導體距摩擦材料距離的變大,導體所能感應到的靜電場的強度變化越來越小,靜電感應的效果越來越低,根據公式

導體表面感應電荷密度降低,所以使得NC-TENG的電信號輸出降低.

4.2 感應電壓與導體面積的關系

如圖7(a)和圖7(c)所示,實驗研究了NCTENG感應電壓與導體面積變化的關系,其中導體距起電層的距離為15mm保持不變,且導體與丁腈橡膠位于同一平面上,通過改變導體的面積大小檢測感應電壓的變化.測量結果表明,當導體的面積由30mm×30mm逐步增大至45mm×60mm時,感應電壓也逐步變大,且增大趨勢越來越緩并在導體面積為45mm×60mm時趨于穩定.原因是當導體的面積不斷變化時,位于變化靜電場內的導體所受靜電感應效果變強,導體內部受電場性質影響而運動的電荷數量變多,即導體表面的感應電荷密度σ增加,因此NC-TENG的感應電信號變大;當導體的面積進一步增大時,由變化電場強度帶來的導體內部運動電荷的數量趨于飽和,導體表面的感應電荷密度也趨于穩定,因此NCTENG的電信號輸出增大得越來越緩并最終趨于穩定.

圖7 基于變化靜化場的NC-TENG 結構圖及輸出測量圖 (a) NC-TENG 結構圖; (b) 距摩擦材料不同距離時的輸出性能;(c) 不同導體面積時的輸出性能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 感應電壓與導體相對于摩擦材料所處方位的關系

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

圖8(c)和圖8(d)為導體距離硅膠/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的電信號輸出圖, 當有兩個作為收集感應電信號的導體(導體1 號和導體2 號)分別與硅膠和丁腈橡膠位于同一平面時, 硅膠和丁腈橡膠接觸-分離, 硅膠表面得到電子帶負電, 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差也在變化, 因此材料表面靜電荷產生的靜電場強度也發生變化. 對于導體1 號, 其處于負的靜電場支配下, 當電場強度由大變小時NC-TENG 產生正的電信號輸出, 當電場強度由小變大時NC-TENG 產生負的電信號輸出.對于導體2 號, 其處于正的靜電場支配下, 此時NC-TENG 產生的電信號輸出與導體1 號相反, 當電場強度由小變大時NC-TENG 產生正的電信號輸出, 電場強度由大變小時NC-TENG 產生負的電輸出.

與位于摩擦材料同一平面位置相比, 感應導體位于摩擦材料正上/下方時NC-TENG 的電輸出更大, 這是因為導體位于摩擦材料正上/下方時距離靜電場中心更近, 因此受到的靜電感應效果更強, 內部電荷的重新分布運動更劇烈, 因此感應電信號輸出更大; 而NC-TENG 的電信號方向則與感應導體所處靜電場的性質即摩擦材料的電負性有關.

圖8 基于變化靜電場的NC-TENG電信號輸出與導體所處方位關系圖(a)導體處于硅膠正上方和丁腈橡膠正下方以及(b)相應的電信號輸出;(c)導體距離硅膠/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)相應的電信號輸出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

根據摩擦起電和近場靜電感應原理,本文創新地提出了一種基于變化靜電場的NC-TENG,利用摩擦材料接觸分離過程中在接觸區域外產生的電場,實現非接觸區域內導體的靜電感應,從而使TENG的起電聚合物和電極層分開,分離距離最大可達55mm.實驗結果表明,NC-TENG的感應電信號輸出主要與以下3個因素有關:

1)導體距摩擦材料的距離增大,TENG的電信號輸出逐漸減小;

2)導體面積增大,TENG的電信號輸出也增大并逐漸趨于飽和;

3)導體相對于摩擦材料的所處方位對TENG電信號輸出的正負性有直接關系:在摩擦材料分離的瞬間,當導體更靠近電負性較高的聚合物時,NC-TENG產生負的電信號輸出;當導體更靠近電負性較低的聚合物時,NC-TENG則產生正的電信號輸出.

此研究工作將為非接觸式自供能傳感器、電子防護屏蔽等提供理論支撐.