鈦酸鋇介電調控提升紙基摩擦納米發電機輸出性能*

梁帥博 袁濤 邱揚 張震 妙亞寧 韓競峰 劉秀童 姚春麗

(北京林業大學材料科學與技術學院,北京 100083)

摩擦納米發電機作為一種能夠將機械能轉換為電能的新型能源轉換裝置,自發明以來便引起了廣泛關注,然而其環保性能由于原料來源多為合成高分子材料而受到制約.采用綠色環保的纖維素材料制備摩擦納米發電機是解決上述問題的重要方式之一.本研究以竹纖維素和鈦酸鋇(BaTiO3)為原料,結合濕法造紙和摻雜改性制備了纖維素/鈦酸鋇復合紙,并將其作為正極摩擦層構建了紙基摩擦納米發電機(cellulose/barium titanate-triboelectric nanogenerator,C/BT-TENG).結果表明,BaTiO3 的加入顯著提升了復合紙的相對介電常數,C/BT-TENG 的輸出性能隨著BaTiO3 摻雜量增加而提升,在4%摻雜量時,C/BT-TENG 的開路電壓和短路電流達到最大值118.5 V和13.51 μA,相比純纖維素紙作為正極摩擦層時,分別提升了51.3%和41.2%.通過模型法分析了介電調控提升C/BT-TENG 輸出性能的機理.此外,C/BT-TENG 具有良好的輸出性能和工作穩定性,在負載電阻為5 MΩ 時,其獲得最大輸出功率密度0.36 W/m2,表現出良好的應用前景.

1 引言

近年來,化石能源枯竭帶來的能源危機和化石能源使用帶來的環境危機迫使人們尋找新的能源供應方案[1,2].機械能作為一種廣泛存在于環境中的能量形式,其轉化和利用一直是新能源領域的熱點問題[3,4].摩擦納米發電機是一種基于摩擦起電和靜電感應的耦合效應,能夠將機械能轉換為電能的新型能源轉換裝置,它的發現為機械能的開發和利用提供了新的思路,自發明以來便受到了廣泛關注[5-9].

從結構上看,摩擦納米發電機主要包含支撐基底、摩擦層和電極三個組成部分.對于最常見的垂直接觸分離式摩擦納米發電機來講,其摩擦層又可以分為正極摩擦層和負極摩擦層[10].失電子能力(供電子能力)是選擇正極摩擦材料最重要的指標之一,失電子能力越強,材料在與其他物質接觸(摩擦)過程中越容易失去電子而顯示摩擦正電性[11,12].當前,摩擦納米發電機中采用的正極摩擦層主要來自合成高分子材料,例如,聚酰胺(尼龍,PA)、聚己內酯(PCL)、聚甲醛(POM)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)等[13-16].由于這些材料的不可再生性和不可降解性,摩擦納米發電機的環保性能受到一定程度的制約,解決這個問題最直接的方式便是采用環境友好性的材料對其進行替代.

纖維素作為地球上含量最豐富的天然高分子材料,得益于其來源廣、價格低、生物相容性好、可降解性以及易化學改性等優點,在綠色電子制備等領域,被視為取代合成高分子的環境友好型原料[17-20].纖維素含有豐富的羥基,其中的氧原子是優良的電子供體,摩擦靜電序列表也表明纖維素具有較明顯的摩擦正電性,理論上適合作為摩擦納米發電機的正極摩擦層材料[21,22].基于此,一些學者開始將纖維素材料用作摩擦納米發電機的正極摩擦層.然而,天然纖維素的表面電荷密度相對較低,一定程度上限制了摩擦納米發電機的輸出性能.通常,摩擦層表面電荷密度的提升可以通過構建表面微納結構、表面化學改性、摻雜改性等手段來實現[23-25].其中摻雜改性是相對簡單的一種方式,通過將金屬顆粒、碳納米管、無機納米顆粒等功能填料摻雜進摩擦層基質來提升其電荷吸引或電荷捕獲能力,進而提高表面電荷密度,實現摩擦納米發電機輸出性能的提升[26-28].對于纖維素,則可以通過摻雜改性提高其介電性能,進而增加比電容并抑制其表面電荷耗散率,以實現表面電荷密度的提升[19,29].

鈦酸鋇(BaTiO3)是一種具有高介電常數、低介電損耗、優異的絕緣性和壓電性等特點的無機化合物材料,被廣泛應用在電子陶瓷、電容器、熱敏電阻等工業方面[30,31].最近,有研究發現,在PDMS,PVDF 等摩擦層材料中摻雜鈦酸鋇顆粒后,它們的介電常數顯著增強,從而使摩擦納米發電機的輸出性能得到了明顯提升,顯示出鈦酸鋇在調控摩擦層介電性能方面的獨特能力[32-35].理論上,通過摻雜鈦酸鋇也可以提升纖維素紙的介電性能,進而增強纖維素紙基摩擦納米發電機輸出性能.然而,目前還鮮有這方面的報道.

本研究采用竹纖維素纖維為原料,以納米鈦酸鋇顆粒(BaTiO3)為介電調控添加劑,采用濕法造紙工藝制備了纖維素/BaTiO3復合紙(C/BT).以C/BT復合紙為正極摩擦層,聚四氟乙烯(PTFE)薄膜為負極摩擦層,銅箔為電極,構建了纖維素/BaTiO3復合紙基摩擦納米發電機(cellulose/barium titanatetriboelectric nanogenerator,C/BT-TENG).系統研究了BaTiO3含量、外力大小等因素對C/BT-TENG 輸出性能的影響,探究了BaTiO3對C/BT-TENG 輸出性能的調控機理,并闡述了C/BT-TENG 的工作原理.

2 實 驗

2.1 C/BT 復合紙的制備

將竹漿板(四川永豐紙業)撕成25 mm×25 mm左右的碎片,在去離子水中浸泡12 h,之后使用瓦利打漿機(中國制漿造紙研究院,S001B)打漿至40°SR 左右,得到竹纖維漿料,具體操作規范依據GB/T 24325;將適量的聚丙烯酰胺溶解在去離子水中制備濃度為1.5%的聚丙烯酰胺溶液,以該溶液作為分散劑和增強劑,加入適量的納米BaTiO3顆粒,之后利用超聲波處理器進行超聲分散直至形成均勻的懸浮液.參照GB/T 24326-2009 抄造定量為60 gm—2的手抄片,具體步驟如下:將漿料濃度稀釋至0.5%,往貯漿器注入約4 L 自來水,然后加入絕干質量為1.88 g 的稀釋漿料,接著加入所需體積的BaTiO3懸浮液(BaTiO3占絕干漿質量比分別為0.5%,1%,2%,3%,4%,5%),注入更多的自來水,使總體積達到7 L,攪拌均勻后打開真空泵進行脫水和抽濾,隨后對濕紙頁進行轉移和干燥.

2.2 C/BT-TENG 的制備

將A4 打印紙(得力集團)裁剪為8 cm×3 cm的長方形作為C/BT-TENG 的支撐基底;將C/BT復合紙和PTFE 薄膜均裁剪為3 cm×3 cm 的正方形,分別作為C/BT-TENG 的正極摩擦層和負極摩擦層;將導電銅膠帶同樣裁剪為3 cm×3 cm的正方形并貼在摩擦層的頂部,作為C/BT-TENG的電極.通過雙面膠將兩個摩擦層貼有銅箔的一側分別固定在支撐基底兩端,然后將打印紙對折使正負極摩擦層面對面,得到C/BT-TENG.

2.3 測試與表征

使用掃描電子顯微鏡(SEM,Hitachi-SU8010)對C/BT 復合紙、PTFE 的微觀形貌進行表征.使用傅里葉紅外光譜儀(FT-IR,PerkinElmer-Frontier)的ATR 模式對樣品的化學結構進行表征.使用X 射線能譜儀(EDS,Bruker-Quantax)對C/BT復合紙表面元素分布進行分析.使用高分辨率介電阻抗分析儀(Novocontrol-Concept 80)對C/BT復合紙的相對介電常數和介質損耗因數進行表征,測試在室溫下進行,頻率變化范圍設定為102—106Hz.使用可調線性馬達對C/BT-TENG 施加垂直往返的壓力,常規測試時壓力大小和頻率分別設定為8 N和10 Hz,C/BT-TENG 的開路電壓和短路電流分別用示波器(普源精電,DS1102E)和電化學工作站(CHI-660E)進行檢測[36,37].

3 結果與討論

3.1 C/BT-TENG 的制備與基本表征

圖1(a)展示了竹材的多級結構,竹纖維細胞壁由微纖絲組成,微纖絲由尺寸更小的原纖絲構成,原纖絲由纖維素大分子鏈構成,纖維素大分子則是由D-葡萄糖單元通過 β-1-4 糖苷鍵連接而成.圖1(b)為C/BT 復合紙的制備流程圖.纖維懸浮液和BaTiO3分散液依次加入紙張成型器的貯漿器中,充分攪拌后進行脫水和抽濾得到濕紙頁,濕紙頁經真空加壓干燥后得到C/BT 復合紙.為了研究BaTiO3含量對C/BT-TENG 性能的影響,制備了BaTiO3含量為0.5%,1%,2%,3%,4%,5%的C/BT 復合紙,分別標記為C/BT-0.5,C/BT-1,C/BT-2,C/BT-3,C/BT-4,C/BT-5.圖1(c)展示了C/BT-TENG 的結構:對折的打印紙作為支撐基底,C/BT 復合紙和PTFE 薄膜分別作為正極摩擦層和負極摩擦層,導電銅膠帶作為電極,兩個摩擦層面對面對稱固定在上下基底上.

圖1 (a)竹材多級結構示意圖;(b) C/BT 復合紙制備流程示意圖;(c) C/BT-TENG 結構示意圖Fig.1.(a) Diagram of hierarchical structure of bamboo;(b) schematic illustration of the preparation of C/BT composite paper;(c) structure diagram of C/BT-TENG.

圖2(a)提供了C/BT-4 的SEM 微觀形貌圖.如圖2 所示,復合紙表面相對平整,纖維輪廓清晰可見,彼此之間呈無序交織狀態并留有一些孔洞和間隙,該微觀結構與完全光滑的表面相比更利于摩擦層之間充分接觸.根據化學結構可知,每個BaTiO3分子含有3 個氧原子,可作為氫鍵受體,纖維素則含有大量的羥基,羥基可作為氫鍵供體,因此二者之間可以形成氫鍵結合(圖2(b)).圖2(c)和2(d)為C/BT-4表面Ti 元素和Ba 元素的EDS能譜圖,表明BaTiO3顆粒在C/BT 復合紙表面具有相對均一的分布.

圖2 (a) C/BT-4 復合紙表面SEM圖;(b) BaTiO3 與纖維之間的氫鍵示意圖;C/BT-4 復合紙表面(c) Ti 元素和(d) Ba 元素的EDS 能譜圖Fig.2.(a) The surface SEM image of C/BT-4 composite paper;(b) diagram of hydrogen bond between BaTiO3 and fiber;EDS spectrum of (c) Ti and (d) Ba on C/BT-4 composite paper surface.

圖3(a)和3(b)分別為PTFE 薄膜的SEM 微觀形貌圖(插圖為其光學照片)和紅外譜圖.PTFE薄膜呈現出一定的透明度,表面平整且光滑,紅外譜圖中1210和1151 cm—1特征峰分別歸屬于CF2的不對稱伸縮振動和CF2的對稱伸縮振動[38].圖3(c)和3(d)為BaTiO3顆粒的SEM 微觀形貌(插圖為其光學照片)和其X 射線衍射圖.BaTiO3顆粒呈現白色粉末狀,在電鏡下顯示出不規則的塊狀,根據X 射線衍射譜圖可以判斷其為四方相晶體結構[39].

圖3 (a) PTFE表面SEM圖(右上角插圖為其光學照片);(b) PTFE 的紅外光譜圖;(c) BaTiO3 顆粒的SEM圖(右上角插圖為其光學照片);(d) BaTiO3 的X 射線衍射圖Fig.3.(a) The surface SEM image of PTFE (The illustration in the upper right corner is its optical photo);(b) the infrared spectrogram of PTFE;(c) the SEM image of BaTiO3 particles (The illustration in the upper right corner is its optical photo);(d) X-ray diffraction pattern of BaTiO3.

圖4 展示了不同BaTiO3摻雜量C/BT 復合紙的拉伸應力-應變曲線.由圖可知,隨著BaTiO3摻雜量的增加,C/BT 復合紙的拉伸強度呈逐漸下降趨勢,但韌性有所增加,這是因為纖維素紙的強度主要來自纖維之間的緊密結合,BaTiO3顆粒附著在纖維上之后會影響纖維之間的結合.但整體來看,C/BT 復合紙強度下降幅度不大,在BaTiO3摻雜量為5%時,依然高達51 MPa,說明其具有良好的機械性能.

圖4 不同BaTiO3 含量C/BT 復合紙的應力-應變曲線Fig.4.Tensile stress-strain curves of C/BT composite paper with different BaTiO3 content.

3.2 BaTiO3 摻雜量對TENG 輸出性能的影響

圖5(a)和5(b)分別記錄了不同BaTiO3摻雜量時C/BT-TENG 的開路電壓和短路電流.當摻雜量為0 時,即純纖維素紙的情況下,C/BT-TENG的開路電壓和短路電流分別為78.3 V和9.57 μA.隨著BaTiO3摻雜量的增加,C/BT-TENG 的開路電壓和短路電流呈現出相同的變化趨勢,均為先增加再減小,在摻雜量為4%時,開路電壓和短路電流均達到最大值,分別為118.5 V和13.51 μA,與純纖維素紙相比,分別提升約51.3%和41.2%.然而,當摻雜量進一步增加至5%時,開路電壓和短路電流均出現小幅度下降,分別下降為110.2 V和12.74 μA.C/BT-TENG 輸出性能提升的原因可能是:BaTiO3是一種強介電化合物材料,具有高介電常數和低介電損耗,當纖維素紙中摻雜了BaTiO3顆粒后,C/BT 復合紙的介電常數也隨之提高,同時表面電荷的耗散率降低,導致其貯存靜電荷的能力增強,表面電荷密度隨之增加,進而有利于TENG輸出性能的提升[35].

通過介電阻抗分析儀對純纖維素紙和C/BT復合紙的介電性能進行分析以驗證上面的假設,圖5(c)和5(d)分別記錄了純纖維素紙和C/BT 復合紙在102—106Hz 的相對介電常數和介電損耗角正切值.由圖5(c)可知,C/BT 復合紙的相對介電常數隨著BaTiO3摻雜量的增加而增加,在摻雜量為5%時,C/BT 復合紙的相對介電常數約為4.6,比純纖維素紙提升了約63.6%.值得注意的是,雖然摻雜量為5%時相對介電常數最大,但與摻雜量為4%時相比,僅有略微提高.這可能是因為,當摻雜量達到4%時已經接近了摻雜飽和值,之后繼續加入BaTiO3,由于缺少結合位點,一來不能很好地與纖維結合而保留在C/BT 復合紙內,二則可能引起局部團聚,影響了整體分散的均勻性,最終導致相對介電常數提高不明顯.另一方面,從圖5(d)可以看出,BaTiO3的加入對纖維素紙的介電損耗影響不明顯,樣品的介電損耗程度均保持在極低的水平,在104Hz 左右,介電損耗角正切值約為0.03.

圖5 不同BaTiO3 含量C/BT 復合紙作為正極摩擦層的C/BT-TENG 的(a)開路電壓和(b)短路電流;不同BaTiO3 含量C/BT復合紙的(c)相對介電常數和(d)介電損耗角正切隨頻率的變化情況Fig.5.(a) Open circuit voltage and (b) short circuit current of C/BT-TENG with C/BT composite paper with different BaTiO3 content as the positive friction layer;frequency dependence of (c) dielectric constant and (d) dielectric loss tangent of C/BT composite paper with different BaTiO3 content.

為了驗證上面關于BaTiO3摻雜量為5%時相對介電常數增加不明顯的假設,采用掃描電子顯微鏡和能譜儀對C/BT-5 復合紙的表面微觀形貌和表面元素分布進行了分析,結果分別展示在圖6(a),6(b)和圖6(c),6(d)中.從圖6(a)和6(b)可以看出,BaTiO3顆粒在復合紙局部表面產生了團聚,團聚在一塊的BaTiO3顆粒凸出在復合紙表面,這在一定程度上不利于摩擦層之間的充分接觸,進而減少了摩擦電荷的產生.同樣,圖6(c)和6(d)所展示的Ti 元素和Ba 元素的EDS 能譜圖也表明Ti 元素和Ba 元素在局部含量較高,分布均勻性較差.因此,當BaTiO3摻雜量從4%增加至5%時,C/BT-TENG 輸出性能下降的原因可以解釋為:5%的摻雜量已經接近或超過了BaTiO3的飽和摻雜量,BaTiO3顆粒產生團聚,分布均一性降低,并會在局部形成大顆粒凸出復合紙表面,這些因素影響了摩擦層之間的接觸和摩擦電荷的產生.

圖6 (a) 400 倍和(b) 4000 倍下C/BT-5 復合紙表面SEM圖;C/BT-5 復合紙表面(c) Ti 元素和(d) Ba 元素的EDS能譜圖Fig.6.The surface SEM image of (a) low and (b) high magnification showing the C/BT-5 composite paper surface;EDS spectrum of (c) Ti and (d) Ba on C/BT-5 composite paper surface.

3.3 BaTiO3 對C/BT-TENG 輸出性能的影響機理分析

為了進一步理解BaTiO3摻雜對C/BT-TENG輸出性能的影響機理,采用模型法對其進行分析,圖7(a)為其等效電路模型.從結構上看,C/BTTENG 具有類似平行板電容器的結構,根據摩擦靜電荷和感應電荷在摩擦層和電極上的分布情況,可以將C/BT-TENG 簡化為三個串聯起來的電容器(圖7(b)).

圖7 C/BT-TENG 的等效電路模型Fig.7.Schematic diagram and an equivalent circuit model of the C/BT-TENG.

根據圖示模型,兩個電極之間的電壓可以通過下面公式進行定義[40,41]:

式中,Q為兩個電極之間的轉移電荷量;C1,Cgap和C2分別為正極摩擦層的電容、空氣間隔的電容和負極摩擦層的電容;VOC為開路電壓;σ為摩擦層表面電荷密度;x(t)為兩個摩擦層之間的距離;S為有效接觸面積;ε0為真空介電常數;d1和d2分別表示正極摩擦層和負極摩擦層的厚度,εr1和εr2分別表示正極摩擦層和負極摩擦層的相對介電常數.

從(1)式可以看出,摩擦層表面的電荷密度σ,電極上的轉移電荷量Q和摩擦層的相對介電常數(εr1和εr2)是影響輸出電壓的關鍵因素,增大σ和εr均有利于輸出電壓的提高.同時,正如前面所介紹的,摩擦層相對介電常數的增加有利于提升其電荷捕獲能力和儲存能力,也就是說,一定程度上會使σ增大.另一方面,在短路狀態下,可以通過以下公式對電極上的轉移電荷密度σ1和短路電流ISC進行定義:

從(2)式可以看出,電極上的轉移電荷密度與摩擦層電荷密度和摩擦層的相對介電常數密切相關,增大σ和εr均有利于σ1的提升,σ1越大則表明轉移電荷數量QSC越大,根據(3)式,單位時間內轉移電荷數量越多則短路電流ISC越大.

通過以上分析可知,摩擦層相對介電常數的增加能夠顯著提升TENG 的輸出性能.

3.4 C/BT-TENG 的輸出性能

圖8(a)和8(b)分別展示了C/BT-TENG 的開路電壓和短路電流隨外力大小的變化情況.從圖中可以看出,外力大小對C/BT-TENG 的輸出性能有明顯的影響,在外力頻率保持在10 Hz 的情況下,隨著外力大小的增加,C/BT-TENG 的開路電壓和短路電流均呈現先增加后保持穩定的變化趨勢.在2 N 至10 N 范圍內,開路電壓和短路電流隨著外力的增大呈現出近似線性增長趨勢,開路電壓從65.6 V 增加到125.8 V,短路電流從7.91 μA增加到14.39 μA,分別提升了91.8%和81.9%.然而,當外力繼續增加時,C/BT-TENG 的開路電壓和短路電流均不再隨之提升.以上變化可歸因于:外力是兩個摩擦層接觸的驅動力,外力越大則摩擦層相互接觸越充分,產生的摩擦靜電荷也越多,摩擦層表面的電荷密度越大,C/BT-TENG 的輸出性能也越好;但當壓力增加到10 N 左右時,兩個摩擦層充分接觸,即有效接觸面積達到最大,繼續增加壓力并不會提升有效接觸面積,因此C/BT-TENG 的輸出性能在外力超過10 N 后保持不變.

進一步對C/BT-TENG 的開路電壓與外力大小數據進行線性擬合,可以得出在2—10 N,C/BTTENG 開路電壓對外力的靈敏度為7.855 VN—1(圖8(c)).由于C/BT-TENG 電信號的產生由外界壓力直接觸發,工作時不需要提供額外的電源,因此其具有作為自供能傳感器的潛質,在壓力傳感,機械運動檢測等領域具有一定應用前景.

圖8 C/BT-TENG 在不同大小外力下的(a)開路電壓和(b)短路電流;(c) C/BT-TENG 的開路電壓與外力大小的線性擬合;(d) C/BT-TENG 在5000次連續循環工作過程中的輸出電壓Fig.8.(a) Open circuit voltage and (b) short circuit current of C/BT-TENG under different external forces;(c) linear fit between open circuit voltage of C/BT-TENG and external force;(d) the output voltage of C/BT-TENG during 5000 continuous cycles.

為了驗證C/BT-TENG 的工作穩定性,對其進行了連續5000次的接觸-分離循環測試.如圖8(d)所示,在整個測試階段,C/BT-TENG 的輸出電壓基本未發生明顯變化,信號波形也保持相對一致,表明該C/BT-TENG 具有良好的工作穩定性和耐久性,進一步證明了該器件的實用前景.

在實際應用中,TNEG 的輸出功率和工作穩定性是非常重要的指標.圖9(a)展示了C/BT-TENG的輸出電壓和輸出電流隨外部負載的變化規律.由圖可知,在103—5×109Ω,輸出電壓隨著外部負載增加而逐漸增加并在109Ω 后趨于穩定,輸出電流則呈現完全相反的趨勢.根據功率密度計算公式((4)式),對C/BT-TENG 的輸出功率進行了計算,結果如圖9(b)所示:

圖9 C/BT-TENG 在不同外接負載電阻下的(a)輸出電壓-電流和(b)輸出功率Fig.9.(a) Output voltage-current and (b) output power of C/BT-TENG with external resistances.

式中,P為功率,U為輸出電壓,R為負載電阻,S為摩擦層面積.

如圖9(b)所示,C/BT-TENG 的輸出功率隨著負載電阻的增加呈現先增加后減小的趨勢,在負載電阻為5 MΩ 時,獲得最大功率密度0.36 W/m2.根據最大功率傳輸定理,當負載電阻與TENG 內阻相匹配時,TENG 獲得最大輸出功率.由此可見,C/BT-TENG 的內阻約為5 MΩ,巨大的內部阻抗使其適合作為理想的電流源.

3.5 C/BT-TENG 的工作機理

C/BT-TENG 的工作機理可以用摩擦起電效應和靜電感應效應的耦合來解釋[42].如圖10 所示,C/BT 復合紙作為正極摩擦層,PTFE 作為負極摩擦層,二者之間一次完整的接觸分離過程可以劃分為4 個連續的階段.

圖10 C/BT-TENG 的工作機理示意圖Fig.10.The schematic illustration showing the working mechanism of the C/BT-TENG.

在初始階段(第一階段),C/BT 復合紙和PTFE在外力的作用下相互接觸,由于PTFE 具有較強的得電子能力(電子逸出功高,電子位于低能態),C/BT 復合紙具有較強的失電子能力(電子逸出功低,電子位于高能態),二者之間發生電子轉移,即C/BT 復合紙表面的部分電子轉移到PTFE表面(電子從高能態轉移到低能態),使PTFE表面帶負電荷,C/BT 復合紙表面帶等量正電荷,這個過程也就是摩擦起電過程[43-45];此時,由于兩個摩擦層緊密重合,正負電荷相互抵消,整體對外顯示電中性,外電路沒有電流產生.第二階段,隨著外力釋放,帶相反電荷的C/BT 復合紙和PTFE 相互分離,與此同時,在兩個電極之間產生一個電勢差,在電場力的驅動下,自由電子從PTFE 的背部電極流向C/BT 復合紙的背部電極,來平衡兩個摩擦層之間的電勢差;在此過程中,外電路產生電流,C/BT 復合紙背部電極產生感應負電荷,PTFE 背部電極產生感應正電荷,即所謂的靜電感應效應.第三階段,當外力完全釋放時,C/BT 復合紙和PTFE 達到充分分離狀態,兩個摩擦層上的靜電荷分別與各自背部電極中的感應電荷達到靜電平衡狀態,自由電子不再移動,外電路也不再產生電流.第四階段,隨著外力重新施加,C/BT 復合紙和PTFE 再次靠近,二者之間的電勢差也逐漸減小,之前用于平衡該電勢差的自由電子開始反向流動,即從C/BT 復合紙的背部電極流向PTFE 的背部電極,外電路產生反向電流.

綜上,C/BT-TENG 的兩個摩擦層在周期性外力作用下進行循環接觸-分離,基于摩擦起電效應和靜電感應效應,由摩擦靜電荷建立的時變電場驅動自由電子在外電路往返流動,形成交流電輸出,在這個過程中,機械能被轉換成電能.

4 結論

本研究結合濕法造紙和碳酸鋇(BaTiO3)摻雜改性成功制備了纖維素/鈦酸鋇(C/BT)復合紙,并以C/BT 復合紙為正極摩擦層制備了C/BT-TENG.結果表明,C/BT-TENG 的輸出性能隨著BaTiO3摻雜量的增加而提升,在4%摻雜量時,C/BT-TENG 開路電壓和短路電流達到最大值118.5 V和13.51 μA,相比純纖維素紙作為正極摩擦層時,分別提升了51.3%和41.2%.通過介電分析和理論模型分析進一步揭示了C/BT-TENG 輸出性能提升的原因:摻雜BaTiO3使C/BT 復合紙的相對介電常數顯著提高,相對介電常數是影響C/BT-TENG 輸出性能的關鍵因素,增加相對介電常數有利于提升C/BTTENG 的開路電壓和短路電流.此外,C/BT-TENG具有良好的輸出性能和工作穩定性,并表現出在壓力傳感方面的應用潛力,在負載電阻為5 MΩ 時,其獲得最大功率密度0.36 W/m2.