答辩陈述在线视频

好 那个我先宣读一下

由学位委员会主席签字并盖章的

答辩委员会主席及成员名单

白鹏的博士学位

博士研究生学位论文答辩

委员会组成

主席都东教授

清华大学机械系

委员张海霞教授

北京大学微电子学研究院

委员潘曹峰研究员

中国科学院

北京纳米能源与系统研究所

委员吴爱萍教授

清华大学机械系

邹贵生教授

清华大学机械系

史清宇教授

清华大学机械系

张弓教授 清华大学机械系

秘书由刘磊助理研究员担任

好 下面呢

我们的白鹏博士研究生

学位论文答辩

首先由答辩秘书

介绍研究生基本情况

白鹏同学1988年出生 甘肃人

2006年考入清华大学机械工程系

攻读学士学位

2010年毕业并免试

进入清华大学机械工程系

攻读直博

导师为张弓教授

2012年到2014年

获得国家留学基金委资助

赴美国Georgia Tech

进行联合培养

白鹏同学在研究生阶段

学习成绩优异 排名第三

并且科研工作尤为突出

攻读博士期间

发表学术论文共27篇

其中24篇发表在

影响因子大于10的

国际高水平期刊上

总引用次数超过700次

个人H因子为14

并且第一作者

或者说是共同第一作者

论文发表为7篇

其中6篇的SCI

均发表在ACS Nano,Advanced Materials等

高水平杂志上

白鹏同学在校期间

获得很多荣誉和奖励

包括国家奖学金

清华大学学术新秀

中日友好NSK机械工程

机械工学优秀论文奖

以及两个Best Poster Award

就这些 主席

好 下面呢

我们就由答辩人

报告学位论文的主要内容

时间控制在30到

45分钟

好 谢谢各位老师

谢谢各位老师

来参加我的博士学位论文答辩

那我是机械系

2010届的直博生白鹏

我的论文题目是

摩擦纳米发电机及其在

自驱动系统中的应用研究

我的导师是张弓教授

那我的论文工作呢

主要分为两个大的部分

分别是摩擦纳米发电机

以及它在

自驱动系统中的应用

那么我们首先来介绍一下

引言的部分

那目前我们用到的电能呢

主要是通过机械能的转化

那转化的方式呢

归根结底主要有以下的四种

那分别是电磁感应的发电机

还有高压静电发电机

压电纳米发电机

以及本文主要

要研究的摩擦纳米发电机

那么为什么要研究

摩擦纳米发电机呢

那基于以下的几个原因

首先就是说目前

主要的能源研究的

热点主要是集中在

较大尺度的

系统的功能问题上

比如说像水电 火电 核电等等

那么摩擦纳米发电机呢

主要是集中在

较小尺度系统的供能问题

那具体来讲

就是在毫安

毫瓦这个量级

那另外一方面呢

在一些特定的应用场合

比如说像建筑 基础设施

以及工业中用到的

安全监测

还有一些科学研究中

用到的

比如说动物种群的

迁徙的追踪

以及人体的健康监测等等

那这些应用场合中呢

传感器是大量的应用的

那如果用这种传统的电池

来作为这些传感器的

能源供给的话

就不能满足它

可持续以及安全性的

这个要求

那么如果我们能够

通过收集这种环境中

大量存在的机械能

比如说像生物体的运动

以及环境中的震动等等

那么我们就可以

为这些传感器实现可

自驱动的技术

那么摩擦纳米发电机呢

正是关注于这些

环境中普遍存在

较微量的机械能

那摩擦纳米发电机

最早是由美国佐治亚理工学院的

王中林教授的研究组提出的

那他们呢

当时在2012年的时候发现

两种聚合物薄膜

在相互接触

分离的这个过程中呢

就会在它们的

两个背电极上

产生电势差

那像这两个

指节的这个运动

就会产生相应的电信号

那么它的这个原理

主要是基于接触起电

以及静电感应现象的耦合

那其中这个接触起电

主要是由于两种材料不同的

这个摩擦电极序来造成的

那所谓的摩擦电极序呢

指的就是说两种

材料对电子的吸引能力

那如果它吸引能力越强呢

那它的极性就越负

反之它的极性就越正

那这张表里面

也是列出了一些常见材料的

一个经验性的排序

摩擦纳米发电机呢

为机械能

像电能的转化

提供了一个

新颖的一个方式

它具有一系列的优势

那但是我觉得最重要的

就是它可以收集

环境中微弱的机械能

并且具有巨大的应用的前景

那目前摩擦纳米发电机的

研究工作

主要集中在两个大的方面

那第一个方面

就是在工作模式的探索

目前已有的工作模式呢

主要是总结为可以有两种

就垂直接触分离的模式

以及平面滑动分离的模式

那这两种模式呢

都是依靠材料

不同材料相互接触

在表面上产生的摩擦 电荷

然后通过不同的方式

使得摩擦层相互分离

然后实现了一个机械能

向电能转化的过程

那这里也是列出了一些

具有代表性的工作

那另外一个大的方面就是

它在自驱动系统中的应用

那目前它主要是作为

主动的传感器

包括压力的传感

以及多通道的压力传感

还有化学的

金属离子的检测

以及倾斜角

位移角的检测

还有一些速度

加速度的传感等等

那通过文献的调研

以及前期的一些试验工作呢

我就提出了通过这五个部分的

主要的内容

对摩擦纳米发电机

进行一个系统性的研究

分别提出

它输出提高的方法

然后开发这个新的结构

来拓展机械能的

可收集机械能的形式

同时研究

影响输出的这个影响因素

那探索一些

它在新的领域的一个应用

那下面向各位老师

介绍我的第一部分的工作

就是多层柔性的

摩擦纳米发电机

那我们从这张表里可以看到

人体的很多运动

比如说像呼吸 步行

都可以产生

非常可观的机械能

但是这些机械能

虽然普遍的存在

但是还没有有效的

收集手段

通常会被忽略

那因此我们就尝试

用摩擦纳米发电机的方式

来收集人体运动

产生的机械能

那我们就设计了这样一个

简单的结构

那这个结构里面呢

用聚酰亚胺薄膜

也就是Kapton薄膜

作为柔性的基底

然后通过聚四氟乙烯

也就是PTFE的薄膜

以及铝

作为摩擦层的材料

那同时PTFE的背面呢

是具有

金属的铝作为电极的

那由于铝同时它是一种金属

所以在这个结构中

它同时充当了

接触电极的作用

那么为了提高器件的输出

我们也是在铝的表面

用阳极氧化的方式

制备了纳米孔洞

来提高接触的面积

那同时在器件里面呢

我们将多个工作单元集成到一起

那这张图里面的

每一个V型结构

都是一个单独的工作单元

那么从这样一个

一个柔性基底里面

我们就集成了这样一个

五个工作单元

我们通过每个工作单元的并联

然后来实现整体器件的

输出的提高

那它的工作原理

同样是基于接触起电

以及静电感应的耦合

那么在初始的状态下呢

如果外界

有作用力的情况下

使得柔性基底变形

那么就会使得铝和PDFE

这两种材料相互接触

那由于这两种材料的

摩擦电极序

的差别呢

那在它的接触面上

就会产生摩擦电荷

那如果此时

外界的作用力

逐渐撤去的时候呢

由于柔性基底的弹性

那么它就会

使得摩擦层之间产生分离

这种分离就会造成接触电极

以及背电极上

产生一个电势差

那这个电势差

反映在外电路中

就是一个负向的电流的信号

那这个电流信号

直到这两种摩擦层

完全分离之后

就会逐渐的消失

那此时如果外界中

再有垂直的接触力的话

会使得摩擦层之间再次靠近

那这样靠近的过程中

就会使得两个电极之间

产生于原来方向相反的

电势差

那就会在外电流中

差生一个正向的电流信号

这个电流信号

直到这两个摩擦层

再一次相互接触的时候呢

就会消失

那么如果我们能够

循环这样一个过程呢

就会实现机械能

向电能的一个转化

那我们对

多层柔性摩擦纳米发电机

进行了理论的分析

那么根据电势叠加的原理呢

我们就可以得到

任意时刻两极板之间的

电势差

Vθ可以用下面这个式子

来计算出来

那么其中这个θ指的是张开角

V形结构的任意时刻的张开角

那Qθ指的是接触电极

以及背电极上面转移的

电荷量

那大写的这个Cθ

指的是这两个电极之间

形成了一个等效电容的大小

那么它们显然都是

跟这个θ相关的一个函数

那VOCθ指的是摩擦电荷

引起的电势差

那如果我们进一步分析

这个公式就可以看到

这个式子的两边

右边有两个项

那第一个项呢

很明显是一个跟电容相关的项

那它主要是来源于

PTFE的背电极

以及接触电极的

铝箔构成的一个可变电容

那么第二项VOCθ呢

它是由一个开路电压相关的项

那它主要是来源于

摩擦电荷的相互分离

那可以用一个

理想的电压源来代替

那综合以上的两种分析

我们就可以得到

多层柔性摩擦纳米发电机的

一个等效电路

那它就是一个可变电容C

以及一个理想电压源VOC的

一个串联的电路

为了测量这个器件的

叠加输出特性呢

我们也是在400N左右的

垂直作用力下

对器件的电学性能

进行了测量

那么首先来看

它的短路电流

我们分别测量了

每个工作单元

单独工作时候的

它的短路电流

可以看到它的短路电流

差不多在150个μA

到250个μA左右的这个范围内

然后将这五个

工作单元集成之后

就是并联之后

我们发现整体的器件的

短路电流

可以达到660个μA

那么也就是说我们通过

这种并联的三维集成的方式

将这个器件的短路电流密度

从单个工作单元的13.5μA

每平方厘米呢

提高到了45.7

也就是说将近有3倍以上的提高

那么我们同时可以进一步的预测

也就是说如果增加

集成的工作单元的个数

就可以进一步的提高

器件的电流输出

那同样的

我们也是测量了

开路电压的大小

我们可以看到

每一个工作单元的

开路电压

是在150V到250V之间不等的

那它们集成之后的

短路电

开路电压是在215V左右

那原因也主要是由于

集成之后各个单元之间

它的摩擦电荷

会重新的分布

那这种重新分布呢

就会导致开路电压的一个

有稍许的下降

但它也是维持在

与单个工作单元相当的一个水平

那我们在实验中

也是用电阻

作为器件的外载

测量这个器件

在不同负载下的输出功率

我们可以看到

随着电阻的增大

它的两端的电压是逐渐的上升

电流是逐渐的下降

那么同时在

负载为1MΩ的时候呢

获得了一个最大的

输出功率是4.2毫瓦

那么对应的一个

功率输出密度呢

是2.9瓦每平方米

在实验中

我们同时发现

接触力的大小

对输出有非常大的影响

就是我们从这张图里可以看到

随着垂直接触力的逐渐增大

无论是开路电压

还是短路电流

都呈现了在一定范围内的

接近线性的一个增长

那么分析主要的原因是

我们也是认为

在这个拱形的

这个器件结构里面

那么较大的

垂直接触力的作用下

会使得PTFE的薄膜

与铝箔表面的

接触面就会增大

那近而就可以增大

它们表面上的摩擦电荷

从而提高

这个器件的输出

那另外我们也之前提到

铝箔表面的纳米孔洞

也会增加这个器件的输出

我们在相同的实验条件下

比较了有纳米孔洞

和没有纳米孔洞的

器件的输出

它的开路电压

也是有了60%左右的提高

由于我们的器件

它的尺寸比较小

重量比较轻 而且具有柔性

那因此呢

我们把它集成在一个鞋垫中

鞋垫中有

具有三个工作单元的这两个器件

然后我们当

挤压这个鞋垫的时候

就会很明显的看到

它会产生电能

那同时我们将这个鞋垫

放在一个鞋里面

当人走路的时候就会

很直观的把

点亮这个鞋里面的LED灯

也是说明

我们可以很有效的收集

这种步行时

产生的这个机械能

那第二部分的工作呢

就是基于旋转式的

摩擦纳米发电机

那我们知道

人类对于这种水车

还有这个风车的利用

是由来已久的

那包括现在

用得比较多的火电以及风电

那同时呢

都有一个共同的特点

就是把自然界中

不同形式的运动

转化为了旋转形式的运动

那么但是对于

这些摩擦纳米发电机来说

基于这些垂直接触分离的模式

或者是这种

平面滑动接触分离的模式

都没有办法有效的收集

旋转形式的机械能

因此我们就想

开发一个新的结构

能够收集旋转形式的机械能

来拓展摩擦纳米发电机

可收集机械能的形式

那我们设计的这个器件

具有一个套筒形的结构

那这个套筒形主要分为两部分

一个是外部的定子

那个外部定子呢

我们由有机玻璃作为

一个空心管作为基底

然后在管的内侧

有间隔分布的

条形铜电极

那这个条形铜电极呢

同时也是充当了一种

摩擦层的材料

那么在内部转子的这个部分

它也是同样用

有机玻璃的一个圆柱体

作为它的基底

那么在它的外表面

也是等间距的分布了

由聚乙烯

海绵做成的缓冲层

然后在缓冲层的上面

有PTFE

就是背面都有铜电极的PTFE

作为另外一种摩擦层

那么这样每一个PTFE

与一个条形铜电极呢

都会构成一个工作单元

那么从这个器件里面

结构里面也可以看到

我们器件是通过

若干个工作单元的并联

来实现多功能单元的

集成

来提高整个器件的输出

那同时为了增大

摩擦层之间的接触面积

同时起到润滑的作用

我们也是在摩擦层的表面

制备了PTFE的

纳米颗粒

那它的工作原理

同样是基于

接触起电与静电感应的耦合

那初始的状态下

由条形铜电极

与PTFE相互接触的时候

会在它们的表面

产生大小相等

方向相反

极性相反的摩擦电荷

那么当如果内部的转子

转子在转动的时候呢

就会使得这两个工作单元

相互的分离

这种分离呢

就会造成接触电极

以及背电极上面的

一个电势差

使得电子通过外电路

发生一个流动

形成了一个电流的信号

那这个电流信号

直到这两个工作单元

完全分离的时候呢

就会逐渐的消失

那此时呢

如果转子继续转动

那么下一个PTFE的

这个工作单元又会与

之前的条形铜电极相互接触

那这种接触又会使得

铜电极以及背电极上

产生与原来这个方向

相反的一个电势差

那使得外电路中

形成了一个与原来方向相反的

电流信号

那电流信号

直到这两个工作单元

完全重合的时候

就会逐渐的消失

那如果我们能够

循环这样一个过程

就可以将这个

旋转形式的机械能

转化为了电能

那么我们也是通过

这个有限元分析的方法

就是定性的对一个

这个简化的这个结构

进行了模拟的分析

可以看到这个

当这个摩擦层分离的时候

这个接触电极以及背电极上

会产生这个明显的电势差的

我们在这个

一个马达提供的

一个恒定的一千转每分钟的

这个转速下

测量了这个

具有六个工作单元的

一个器件的这个

它的电学输出

首先来看它的短路电流

是差不多维持在60个

这个μA的这个范围内

那如果我们放大这个时间轴的话

可以看到这个电流信号

具有一个非常好的一个周期性

那同时我们测量出来

它的这个频率是100个HZ

那这个原因呢

主要是由于在

六个工作单元的器件

在这个恒定一千转每分的

这个转速下旋转的时候

它每一个工作单元

每秒会产生100次的

这个接触分离

也就是说会产生一百个

这个电流信号

那这也就说明我们之前的

工作原理的解释是相符合的

那类似的

我们测量了它的开路电压

是稳定在这个373V

然后同时这个电压信号

也是具有很好的周期性

来具有与电流信号相同的频率

我们在改变这个马达

这个旋转速率的情况下呢

可以看到

就是测量到

这个器件的短路电流

还有这个累积转移的电荷量

都呈现了一个

接近线性的一个增长

那这个原因

我们分析主要是由于

这个旋转速率的改变

它虽然不会改变这个

单次转移的电荷量的大小

但是它可以改变

这个电荷转移的速率

那速率的改变就会使得电流

以及一定时间内转移的

这个电荷量会出现一个增长

那但是对于这个

开路电压来说的话

我们可以看到

在不同的转速下

它的开路电压基本是维持

在不变的一个水平下

那么主要的原因

也是通过分析它的

这个等效电路以及理论分析

可以得到它的开路电压

用这个公式来计算

那么我们如果

因为在我们的试验中

这个PTFE的厚度

这个d是远小于

它的工作单元的相对位移l的

所以这个式子可以进一步的

简化为下面这个式子

那下面这个式子里面

我们可以看到

这个开路电压的决定因素

主要是由这个单次转移的

这个电荷量

那以及这个

我们工作单元的尺寸来决定的

与这个速率是没有关系的

那我们同时研究了

这个不同工作单元

个数对器件输出的影响

那我们可以看到

当这个工作单元的个数

从1逐渐增加到2 4 6 8的时候

它的这个短路电流

以及累积转移的电荷量

都呈现了一个上升的趋势

但是电压

维持在不变的这个水平

原因也是主要由于

这个工作单元呢

主要影响的是这个

电荷转移的速率

但是它不会影响

这个单次转移的这个电荷量

那么从这个电压的信号

它虽然

它的大小没有发生变化可以

但是可以很清晰的看到

它的这个频率是逐渐变大的

那为了证明我们的器件

可以有效的搜集

这个旋转形式的机械能

我们将它来

用来驱动这个90个LED灯

那么当这个

可以看到当这个马达的转速

逐渐上升的时候呢

这个LED灯会被点亮

同时LED这个灯

闪烁的这个频率

也与这个马达的转速

是相对应的

那如果我们把这个马达呢

换成其它的这个能源

能量来源

比如说像风车

或者水车这种形式

我们也可以同样实现

这个能量的转换

那基于以上两方面的工作呢

我又进行了这个

界面约束电荷

对摩擦纳米发电机

输出的影响的研究

那么通过之前的一系列工作

我们就总结出了

提高摩擦纳米发电机

输出的一个方法

那么主要有以下几点

那第一点呢

就是这个材料的选择

那如果我们选择

这个摩擦层的材料

它们两者之间的

摩擦电极序的差距越大

那么相应的器件

也可以得到更高的输出

那么第二点就是这个

通过在摩擦层表面

制备这种微纳米的这种结构

然后提高这个

摩擦层之间的接触面积

从而提高这个器件的输出

那第三种呢

就是通过这种

用多个工作单元

集成的这种方式

来提高这个器件

整体的一个输出

那基于以上的思考呢

我们就想

那有没有方式

通过改变这个摩擦层

材料本身的特性

来改变这个器件输出的

的输出呢

因此我们就做了以下的尝试

我们设计了一个

很简单的一个器件结构

那它是基于这个最基本的

这个接触分离模式的

这个摩擦纳米发电机

那利用这个铝呢

作为一种摩擦材料和接触电极

那用PTFE

用这个聚偏氟乙烯

也就是PVDF薄膜

作为另外一种摩擦层次材料

它的背部是有这个铜的电极

那这里要多说一下

这个PVDF的这种材料

由于它的这个分子链结构

是非常整齐的

因此它的这个内部会发生这个

就是自发的极化来形成偶极子

那么在没有这个极化的情况下

它的这个PVDF的

这个内部的偶极子

是这种随机排布的

他如果极化之后它就会

偶极子就会

产生一个定向的排布

同时在它的界面上

产生了界面的约束电荷

那为了方便描述呢

我们就定义

如果这个正的界面约束电荷

朝外的话

我们就定义它为

正向极化的PVDF

如果它这个负的

正面约束电荷朝外的话

我们就定义它为

负 反向极化的PVDF

那由此我们就得到了

有三种不同的PVDF

作为这个摩擦层

材料结构的三种器件

那试验中呢

我们也是在相同的试验条件下

对这三种这个PVDF

作为摩擦层材料的器件

进行这个输出的测量

可以看到

那无论是这个短路电流

还是开路电压

或者是累积转移的电荷量

都呈现了一致的

这个大小变化的趋势

那这个趋势就是说

正向极化的PVDF

获得了最大的这个输出

未极化的次之

而反向极化的PVDF的器件

获得的输出是最小的

那为什么会出现这种现象呢

要分析它其中的原因呢

我们首先要介绍一下

这个接触起电的理论

那虽然接触起电

是一种非常简单的现象

而且从我们小学的

课本里面就有提到

但是对它的这个基理的研究

是还并不完善的

那目前被普遍接受的一种理论

就是电子隧迁理论

那以我们实验中

用到的这个铝

和这个未极化的PVDF为例的话

就是说铝的

它的表面能级

是负的4.2个eV

那PVDF呢

它的等效的表面能级呢

是负的5.0eV

那如果当这两种材料

相互接触的时候

那电子呢

就会从铝中较高的能级

隧迁至PVDF中

较低的能级

那由于这个电子的迁移

就会使得这个PVDF的

这个表面能级会提高

那当达到与这个铝的

表面能级差不多水平的时候

这种电子的隧迁

就会停止

那换句话说呢

就是在它们的表面上

就会产生这个摩擦的电荷

而对于我们实验中的

正向极化的PVDF呢

由于它表面具有正

正的这个界面约束电荷

因此它会将这个PVDF的

这个表面能级拉低

那当这两种材料相互接触的时候

就会有更多的电子

从这个铝中

隧迁到这个PVDF中

换句话讲

也就是说在表面上

形成了更多的摩擦电荷

而摩擦电荷呢

会直接影响这个器件的输出

那对应的器件呢

也会获得较大的这个电学输出

而对于这个反向极化的

这个PVDF呢

由于它表面

负的这个界面约束电荷呢

会使得它的这个PVDF的

这个表面能级被拉高

那由此

这个在两种材料

相互接触的时候

那转移的这个隧迁的

这个电子就会减少

那它的摩擦电荷减少

也会导致相应的器件的

电学输出的减少

那由之前的这些研究呢

我们就提出了

对摩擦纳米发电机输出

产生影响的

另外一种可行的方式

也就是说我们可以通过

改变这个摩擦层材料自身的性质

来改变这种摩擦纳米发电机

器件的这个输出

那我的第二部分

这个研究工作呢

主要集中在摩擦纳米发电机

在自驱动系统中的应用

那么首先我们来看

第一个应用的实例

就是自驱动的气压变化传感器

那首先简单介绍一下

这个自驱动系统

自驱动系统

同样是由王中林教授提出的

它一共包含这样五个部分

那么这个能量收集的单元

通过收集外界的这个能量呢

供给这个系统中其它的这个

各个部分

那这样呢

就会使得整个系统形成一个

自驱动的这样一个

一个功能

那目前摩擦纳米发电机

主要是作为这个主动的传感器

在这个自驱动系统中发挥作用

那回到这个气压的传感

我们目前这个在工业中

或者生活中

用到比较多的这个

气压变化的传感

主要是用这种压电式

压阻式 电容式

或者光学式的这种传感器

那这些传感器

它们的制备工艺

和器件结构相对比较复杂

而同时就是它们大部分

都没有办法实现

就是说这个自驱动

也就是说它们都必须

需要外界提供电源

才可以实现这个

气压变化的物理信号

到这个可测量的电学信号

之间的一个转化

那因此我们就通过

想通过摩擦纳米发电机的

这个方式

来尝试这个对气压变化的传感

我们涉及到这样一个

很简单的这个多层的结构

那么我们用这个Latex

也就是乳胶的薄膜

作为一个摩擦层材料

那另外一种摩擦层材料

我们选择了这个氟化乙丙烯

也就是FEP的薄膜

那么同时为了提高

这个摩擦层之间的接触面积

我们再用这个

感应耦合等离子刻蚀的方式

在它表面置备了这些纳米线

那用这个有机玻璃

作为这个器件的这个基底

同时在它的两侧

沉积了这个上下两个电极

那在电极基底

以及FEP这个薄膜的中间

有一个直径两毫米的

这样一个气流通道

因此如果当外界环境中

发生这个气压变化的时候

这个气体就会通过这个气流通道

进入到这个Latex和FEP

之间形成的这个密闭的空腔

那么虽然这个器件的结构上来看

它是基于这个

垂直接触分离模式的

但它其实是完全

不同形式的一种新的结构

那主要的原因

也是由于在它的工作的时候

摩擦层之间的分离

并不会导致两个电极之间的分离

而两个电极

是位于这个摩擦层的同一侧的

因此它的这个工作原理

也是与之前的这个器件

有一定的区别

那当这个初始状态下

两种摩擦的材料

相互接触的时候

表面会有摩擦的电荷

那如果此时在外部

发生了这个气压变化

那气流就会通过这个气流通道

进入到这个密闭的空腔中

使得这个FEP和这个Latex之间

发生了分离

那这种分离就会使得

它们两个摩擦层材料之间

产生一个电场

而由于这个上电极

它并不是一个无限大的平板

因此这个摩擦层之间的这个电场

会同时影响到下面的两个电极

并且在两个电极上

产生这个电势差

那么这个电势差

也会随着这个摩擦层材料的

这个分离的程度变大了

也会逐渐的这个增大

那如果当这个Latex这个薄膜

它的张力与外部的气压

达到平衡的状态下

那这个电势差

也会达到一个平衡

那如果此时这个外界环境中

这个气压变化消失了

那由于Latex本身的弹性

它也会就是

会使得两个摩擦层材料再次接近

那这种接近就会导致

它的这个电势差逐渐下降

那直到这两种材料

相互贴合的时候

它就会变为零

那我们也是通过

有限元的方式

对这个一个简化的模型

进行了这个分析

可以看到在这个简化的模型里面

摩擦层之间的这个电场

它确实是会影响到

这个上下两个电极

并且会在上下两个电极之间

形成一个明显的电势差

那如果我们假定这个

工作环境中的气体是空气

并且把它认为是一个理想的气体

把这个气压变化的过程

看作是一个绝热的过程

那么气压的变化值

就可以用这样一个公式

来计算出来

那其中V是

V0和V是变化前后

这个气体的体积

那么P0是变化前

这个气体的这个压强

那我们用

同样用有限元分析的方式

对这个不同气压变化下的

这个两极板之间的这个电势差

也就是器件的开路电压

进行了这个模拟

可以发现模拟的结果显示

这个器件的输出

具有非常好的线性区间

那当超过它的线性区间之后

这个输出就会达到一个饱和

那我们在实验中

将器件与一个这个活塞相连

使得活塞中

这个密闭的空间的这个气压

是周期性的增大和这个恢复

那么可以看到

器件会输出一个

非常稳定的一个电压信号

那么在不同的

这个气压变化的情况下

也会存在一个良好的线性区间

同时当这个气压变化

超过它的线性区间

也就是9.9千帕的时候

它就会输出会趋于一个饱和

那我们通过这个

测量这个环境中的这个

工作环境中的这个噪音信号

就可以计算出来

这个传感器在带宽1Hz下的

分辨率是差不多0.34个帕

那这也是目前这个

商用的气压传感器

分辨率的十倍左右

那类似的我们也测量了

让气压减小的时候

我们器件的输出

可以看到当气压

周期性的减小

恢复的这个过程中

器件也是输出了

一个很稳定的电压信号

同时在不同的气压变化下

器件也是存在一个

很好的这个线性区间

当超过这个线性区间之后

就会趋于逐渐的饱和

在实验中我们也发现

这个摩擦层的这个面积

对器件的这个灵敏度

是有非常大的影响的

我们测量了这个

不同这个摩擦层面积的

这个器件它的灵敏度

可以发现就是随着这个

摩擦层面积的逐渐减小

它的灵敏度是逐渐上升的

那么分析其里面主要的原因

也是由于这个

在较小的这个摩擦层的面积下

在相同的这个气压变化下

那这个Latex薄膜的

这个变形程度会更大

而它的这个变形程度

是直接决定了

这个输出的电信号

那也就是会影响

它这个器件的灵敏度

那作为这个传感器

它的这个测量的稳定性

是非常重要的一个参数

那么我们器件的这个

稳定性的影响因素

主要是由于这个

摩擦层之间的这个

电荷的这个耗散有关系的

这个耗散时间非常的缓慢

因此我们在这个实验中

也是测量在多个工作周期下

这个器件的输出

是基本保持在一个

非常稳定的一个水平的

那基于以上的这些工作

我们将这个器件

与这个空气袋相连

当有人踩踏这个空气袋的时候

由于空气袋内部气压的这些变化

就会使得我们的这个器件

可以感应到这个气压变化

产生一个电信号

那这个电信号

通过一个触发电路

就可以触发这样一个

无线的警报系统

那也是实现了一个

器件在安全预警系统中的

一个简单的应用的实例

那类似的我们通过一个

这样一个佩戴的装置

将这个器件与它相连

那由于人在呼吸的时候

这个胸腔的这个起伏的这个运动

会改变这个空气袋中

这个气压的大小

那么我们的器件

也会感应到这种气压大小

并且通过一个采集系统

将这个信号采集下来

我们可以看到这个

每一个这个峰值信号

都代表了一个人的一次呼吸

那如果这个测量它

两个峰值之间的这个

时序上的这个差异

就会计算出来

实时的计算出

我们人这个呼吸的这个频率

那类似的

我们将这个器件

与一个这个听诊器的接头

相连的时候

我们也可以很有效的

这个测量人心跳的这个频率

那可以实现我们的器件

在健康监测系统中的一个应用

那除了以上的这个应用实例

我们下面介绍一下

自驱动条形码的

这个自驱动的这个应用实例

那我们知道这个

机读信息目前应用非常广泛

主要有这个条形码 二维码

以及射频识别的这个技术

随着它们的这个

大范围的普及和应用

它就存在这个一些问题

就开始凸显了

比如说像这种条形码 二维码

别人给你拍一张照片

然后他再打印出来

就可以很轻易的复制你的信息

那么而且它们这种技术

都没有办法实现自驱动

那我们就尝试用

摩擦纳米发电机的方式

来设计一种这个条形码的系统

那这个系统主要包括两个部分

第一个部分是柔性的条形码

那我们用这个FEP

和Kapton的薄膜

作为这个基底

然后在它上面沉积了

透明的这个ITO的条形码

然后用这个FEP

作为另外一种摩擦层的材料

制备了这个读取的方式

那它的背面具有

与这个ITO相同尺寸的

这个条形铜电极

那同时也是为了增大这个

摩擦层之间的接触面积

而且起到这个润滑的作用

我们在它的表面

也是制备了这个

PTFE的纳米的颗粒

那这个系统的工作原理

同样是基于这个

接触起电与静电感应的耦合

那由于这个ITO和FEP

它们之间摩擦电极序的差异

它们之间接触的时候

会在表面产生这个摩擦电荷

那在理想的情况下

FEP这种绝缘体

它表面的摩擦电荷

会均匀的分布

那由于它背面的这个背电极

与这个通过外电路

与这个大地相连

由此在静电感应的作用下

它就会在上面集聚出来

正的电荷

那如果当ITO

在这个FEP表面向前滑动的时候

那由于它内部的这个摩擦电荷

会打破原来已经平衡的

这个静电感应

那就会使得电子

从这个外部电路中

进入到这个背电极中

那在外部电路产生一个电信

那这个电信号

直到这个ITO

与这个条形的铜电极

相互重合的时候

就会逐渐的这个消失

那如果此时ITO条形码

还继续往前这个运动的话

那又会这个改变

原来的这个静电平衡

使得这个电子

从这个铜的条形铜电极

再流回到大地产生一个

与原来方向相反的电流信号

那我们也是通过

有限元分析的方式

对这样一个简化的模型

模拟了这个运动的过程

从这个图里面

我们可以明显的看到

就是说条形铜电极

它自己的电势

是只有当它与这个ITO

相互重合的时候

它的电势会达到最大

那与我们之前的原理分析

也是相一致的

那进一步

我们又用有限元的分析方式

在这个ITO不同的这个

它的位移的这个距离的

这个情况下

模拟了这个条形铜电极

与大地之间的电势差

也就是开路电压的大小

那同时跟我们的实验的数据

进行了对比

我们可以看到

它的形状是符合的非常良好的

那在实验中我们也是用了

有六个间隔分布的ITO条形码

它们之间的这个间距

分别是这个ITO条形码宽度的

一倍 两倍 一直到五倍

那我们测量这个电阻两端的电压

就得到这样一个结果

那如果我们定义这个

电压信号的这个峰值之间的

这个时序上的差异

为小写的T的话

那另一方面由于这个ITO

它是这个匀速滑动的

因此我们可以很简单的

通过这样一个公式来计算

它理论上通过这个

条形铜电极的这个时间差

为大写的T

那如果比较这个理论值

和实验值的话

我们就可以得到这样一个结果

它们两者之间

复合的程度是非常良好的

而且之间的误差只有约5%左右

那么通过以上的这个分析

我们就可以得到这样一个结论

就是说这个ITO

在这个FEP薄膜表面

滑动的时候

产生的这个电信号

它与这个条形码的

实际位置之间

是存在一一对应的关系的

那换句话讲

就是说我们可以通过

产生的这种电信号

就可以分辨出来

不同ITO之间的这个相对位置

由此我们就设计了一个

条形码的存储信息的方式

我们引入了一个参考间隔

它的宽度是3.5个毫米

那我们定义

如果这个存储的信息

它的间隔为3.5毫米的时候

就认为它存储的信息为1

如果是1.75

也就是它的一半的时候

存储的信息是0

那如果是它的两倍的话

就存储的信息是数字2

那由此我们就可以定义

这个数字信息

同时也可以实现

这个二进制的这个编码

那对于信息的读取

我们主要是采用这个参考间距

产生的这个电压峰值之间的

这个时间差

以及这个存储信息的这个

产生的这个峰值信息之间的

这个时间差

通过它俩的比值来

进行这个信息的读取

那如果当它俩的这个比值

是差不多二比一的时候

我们就识别这个存储的信息为0

那我们参考间距

是统一识别为1的

那在实验中为了简化这个

时间差获取的这个过程

同时为了提高这个

识别的速度

我们就在设置了一个

0.3伏的一个参考电压线

那通过这种方式

我们就很成功的识别了

数字信息0 1 2 3 4 5

那为了进一步验证

我们的这个方法是有效的

我们分别用了存储的数字信息

1到5的一个条形码

在这个存储装置上

通过匀速的这个滑动

然后通过我们的这个系统

来这个识别里面的信息

那同样我们用这个

存储的数字信息

1到4的一个条形码

把它贴在一个卡片

然后用人手来这个

在这个读取装置上滑动的时候

也是通过我们的系统来识别

我们可以看到

它识别的结果就是

参考间距统一识别为1的时候

那我们的系统

也可以很好的识别这个

在我们的条形码中

存储的这个数字信息

那由此也是实现了

这个器件在信息存储

这个领域的一个简单的应用

那由此我们的博士论文工作

主要有以下五点的结论

那首先就是提出了

能够收集人体运动时

产生机械能的

这个多层柔性摩擦纳米发电机

那设计了一个

能够收集旋转形式机械能的

这个摩擦纳米发电机

同时研究了这个

界面约束电荷

对这个器件输出的影响

而且设计了一个

基于摩擦纳米发动机的

自驱动的气压变化传感器

探索了它在安全预警

以及间旁监测方面的应用

那设计了一个

摩擦纳米发动机

基于摩擦纳米发动机的

自驱动的透明条形码系统

实现了它在这个信息识别方面的

一个简单的应用

那论文的这个创新点

归结为以下四点

就是在国际上首次提出了

利用三维集成的

柔性摩擦纳米发电机

收集人体运动时产生的机械能

开发了可以收集

旋转形式机械能的这个新结构

拓展了摩擦纳米发动机

可收集的机械能的形式

研究了这个摩擦层材料中

界面约束电荷的输出的影响

并且给出了相应的理论解释

那在国际上首次提出了

将摩擦纳米发动机

作为自驱动的气压变化传感器

以及透明条形码的这个方法

实现了它在这个安全预警

健康监测以及信息识别方面的

这个简单应用

那在博士研究生期间

我一共发表了七篇

第一（共同第一）作者的文章

其中有6篇SCI 1篇EI

一共发表了27篇论文

被引用了700余次

个人H因子是14

同时申请了两项中国专利

两项美国专利

参加了三次国际学术会议

那在此我也要非常感谢

我的导师张弓教授

感谢他研究生期间

对我工作上的指导和支持

以及生活上的关心和帮助

还要尤其感谢我在美国

留学期间的导师

王中林院士

以及马莒生教授

对我的悉心指导

以及热情帮助

那同时要感谢

曾经一起工作过的

同事 老师

以及实验室的兄弟姐妹们

还要感谢的家人 我的朋友

我的女朋友

对我的关心和支持

最后谢谢各位老师

在百忙之中

参加我的论文答辩

我的论文答辩到此为止

欢迎各位老师提问

好 谢谢