当前课程知识点:2015年清华大学研究生学位论文答辩(一) > 第2周 机械系、自动化系、交叉信息学院 > 机械系-白鹏 > 答辩陈述
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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
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