基于PDMS薄膜的高性能摩擦纳米发电机研究

2021-03-16汪朋飞

机械设计与制造工程 2021年2期

杨平, 汪朋飞

(深圳大学机电与控制工程学院,广东深圳 518060)

随着能源危机和环境污染等问题的日益加剧，新的能源收集方式的开发及利用成为当今社会关注的焦点。摩擦纳米发电机(triboelectric nanogenerator，TENG)创造性地利用摩擦运动副的摩擦起电和静电感应耦合效应将无规律的机械能转化为电能，有效解决了当前低频能量收集的难题。自从2012年TENG被发明以来得到了研究人员的广泛关注[1]，研究热点集中于提高发电能力与效率[2-3]、拓展应用领域[4]和优化结构设计[5]等方面，且在移动电子设备[6]、传感器网络[7]、自驱动系统[8]和生物医学领域[9]有着广阔应用前景。

摩擦副材料的性能对TENG的应用有着十分重要的影响[10]，在摩擦副材料合理选择的基础上对其进行内部改性处理对于TENG实际应用以及纳米能源和自供能系统的研究具有重要意义。聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)是一种高分子材料，具有透明、柔韧和良好的生物相容性，提高PDMS薄膜的介电常数对于提高TENG的性能具有十分重要的意义。研究人员为了改善PDMS薄膜的性能进行了相关研究[11-12]，其中一种重要方法是在薄膜制备过程中添加纳米颗粒[13-14]，通过间隙的形成提升TENG的电学特性。

石墨烯作为一种性能优良的二维材料，具有较高的介电常数，现已被用于TENG中，体现出了较好的发电性能[15]。为进一步增强PDMS薄膜的摩擦发电性能，本文通过二维材料掺杂方式制备了一种石墨烯掺杂PDMS薄膜，利用接触分离式摩擦发电评价系统探讨了摩擦副材料、薄膜厚度、石墨烯掺杂量及载荷对石墨烯掺杂PDMS薄膜摩擦发电性能的影响，为PDMS薄膜在微纳能源方面的应用提供参考。

1 试验方法

1.1 接触分离式摩擦发电评价系统

如图1所示，自制的接触分离式摩擦发电评价系统由摩擦副装夹系统、水平运动系统、载荷控制系统和电学测量系统4部分组成。其中，摩擦副装夹系统由专用夹具组成，通过夹具固定左右摩擦副材料；水平运动系统由开关电源(S-120-24)、步进电机(57BYG250B)、步进电机驱动器(TB6600)、直线模组(FSL40E10005C7)和滑块等5部分组成，通过电机驱动左摩擦副材料做往复直线运动；载荷控制系统由金属接近开关(SNO4-N)、压力传感器(HZC-30A)和压力显示器(HZC-800)等3部分组成，通过金属接近开关控制摩擦副接触时的载荷(5～180 N)；电学测量系统由电流放大器(Stanford SR570)和静电计(Keithley 6517B)组成，分别用于测量左右摩擦副接触时的时短路电流和开路电压。实验中单次采样时间为稳定信号时间段的60 s，接触分离周期约6 s，每组实验测试3次，取最大值作为最终结果。

图1 接触分离式摩擦发电评价系统示意图

1.2 PDMS薄膜的制备

本文中的左摩擦副材料选择PDMS薄膜，通过制备不同石墨烯掺杂量的PDMS薄膜，对其摩擦发电性能进行研究。

1.2.1纯PDMS薄膜

如图2(a)所示，将聚二甲基硅氧烷(Sylgard184, Dow Corning)胶原体和固化剂按10∶1的质量比进行混合并搅拌均匀，在超声波清洗器中脱气30 min后放置冰箱中低温(0～10 ℃)保持30 min。将经过脱气的PDMS混合液分别倒在标有刻度线(1 mm、2 mm和3 mm)的3个容器中，将盛有溶液的容器放置在真空干燥箱中，在80 ℃温度下固化1 h，自然冷却后将PDMS与容器分离即可得到纯PDMS薄膜，液面的刻度即为薄膜的厚度。

图2 PDMS薄膜的制备流程

1.2.2石墨烯掺杂PDMS薄膜

如图2(b)所示,使用天平称取不同质量(0.625～10 mg)的石墨烯纳米片(厚度6～8 nm，宽度15 μm)添加到PDMS混合液的培养皿中，使用玻璃棒搅拌混合，然后重复纯PDMS薄膜的制备过程，即可得到具有高介电常数的掺杂有石墨烯的PDMS薄膜。

1.3 PDMS薄膜摩擦发电器件

如图3所示，左摩擦副以亚克力板为基板，使用双面胶将铜胶带的金属面贴在亚克力板上并引出导线，在PDMS的非工作面使用溅射仪(LJ-16)制备100 nm厚度的金膜后粘贴在铜胶带表面。右摩擦副同样以亚克力板作为基板，使用双面胶将玻璃片粘贴在亚克力板表面，将铝箔剪切后粘贴在玻璃片上并引出导线，完成PDMS薄膜摩擦发电器件的组装。实验时温度为20～25 ℃，相对湿度为45%～60% RH。

图3 PDMS摩擦发电器件示意图

2 试验结果与讨论

2.1 不同右摩擦副材料的电输出性能

选择失电子能力较强的铜箔和铝箔作为右摩擦副材料进行试验，结果如图4所示。由图可知，铝箔与PDMS薄膜的短路电流和开路电压均优于铜箔，同时铝箔的信号曲线更加稳定。当铝箔与PDMS薄膜接触、分离时，短路电流表现出明显的交流信号特征，接触和分离时出现了最大和最小电流值。开路电压也表现出周期性，其最小值为0。这是由于PDMS薄膜的电荷积累效应，当电荷积累到一定程度时开路电压原始数据基线不再偏移，虽然此时其最小值大于0，但在数据处理时取开路电压最小值为0。基于此，本文选择铝箔进行后续实验。

图4 不同右摩擦副材料的电输出结果

2.2 不同厚度PDMS薄膜电输出性能

对所制备的厚度分别为1 mm、2 mm和3 mm的纯PDMS薄膜进行摩擦发电性能研究。如图5所示，随着薄膜厚度的增加，短路电流和开路电压都是先增大后减小，薄膜厚度为2 mm时其电输出性能最高，对应的短路电流和开路电压分别为287.9 nA和81.5 V，故后续实验选取2 mm厚度的PDMS薄膜进行摩擦发电性能研究。

图5 不同厚度PDMS薄膜的电输出变化曲线

2.3 石墨烯掺杂PDMS薄膜的拉曼表征

如图6所示，对比石墨烯、纯PDMS和石墨烯掺杂PDMS的拉曼光谱曲线可以发现，典型的石墨烯拉曼特征峰分别为位于1 582 cm-1附近的G峰和2 700 cm-1附近的2D峰；纯PDMS的拉曼特征峰位于2 914 cm-1附近；石墨烯掺杂PDMS薄膜的拉曼光谱表现出石墨烯和纯PDMS拉曼光谱相结合的特征，其特征峰分别位于1 582 cm-1、2 700 cm-1和2 914 cm-1附近。上述分析结果表明，石墨烯纳米片已经均匀分布到PDMS基体中，制备的石墨烯掺杂PDMS薄膜满足摩擦发电实验要求。

图6 石墨烯、纯PDMS和石墨烯掺杂PDMS薄膜的拉曼光谱曲线

2.4 石墨烯掺杂对薄膜摩擦发电性能的影响

为了进一步增强PDMS薄膜的电输出性能，将不同质量的石墨烯纳米片(0.625 mg、1.25 mg、2.5 mg、5 mg和10 mg)分别掺杂到5.5 mL的PDMS混合液中，制备出不同石墨烯掺杂量的PDMS薄膜，其对应的摩擦发电性能测试结果如图7所示。由图可知，随着石墨烯掺杂量的增加，PDMS薄膜的电学性能呈先增大后减小的趋势。当石墨烯掺杂量为5 mg时得到最大的短路电流和开路电压，分别为2.4 μA和95.1 V，相比纯PDMS薄膜，其短路电流和开路电压分别增加了8.7倍和1.2倍。石墨烯掺杂PDMS薄膜摩擦发电性能的提升，一方面是由于添加石墨烯纳米片后PDMS薄膜的介电常数增大，另一方面是掺杂石墨烯后改变了薄膜的表面粗糙度，导致接触、分离过程中表面真实接触面积增大，转移电荷量增加[15]。

图7 不同石墨烯掺杂量PDMS薄膜的电输出变化曲线

2.5 载荷对薄膜摩擦发电性能的影响

通过施加不同载荷(5,10,20,30,60,90,120,150,180 N)进行了石墨烯掺杂PDMS薄膜摩擦发电实验，结果如图8所示。由图可知，随着载荷的增大，石墨烯掺杂PDMS薄膜的短路电流和开路电压呈增大趋势，载荷在5～60 N时增加速率较快，60 N之后相对平稳，180 N时短路电流和开路电压达到最大值，分别为3.8 μA和129.2 V。实验结果表明，随着摩擦副之间法向载荷的增大，真实接触面积增大的同时表面转移电荷量也显著增加，提升了石墨烯掺杂PDMS薄膜的整体摩擦发电性能。

图8 不同载荷下石墨烯掺杂PDMS薄膜的电输出变化曲线

3 石墨烯掺杂PDMS薄膜的应用

上述研究结果表明，石墨烯掺杂PDMS薄膜相比纯PDMS薄膜其短路电流和开路电压均显著增加，具备优异的摩擦发电性能。基于PDMS薄膜在电子设备中的实际应用，通过人手掌拍打对PDMS薄膜接触面积和接触分离速度的灵活调控探索了其电输出行为潜能[16]。人工拍打实验中，将石墨烯掺杂PDMS薄膜切割成直径为70 mm的圆形，铝箔切割成直径为90 mm的圆形，粘贴在雪弗板后用双面胶分别粘贴在左右手掌上。如图9(a)、(b)所示，通过多人多次不同力度和频率的反复拍打实验，最终可以得到最大短路电流ISCmax和最大开路电压VOVmax分别为367 μA和3 200 V(采用示波器和高压探头测量)，对应的最高输出功率密度达到305 W/m2，接入整流器后可以同时点亮1 200个串联的蓝色LED灯珠，如图9(c)所示。石墨烯掺杂PDMS薄膜优异的摩擦发电性能可以满足当前便携式电子设备的自供电需求，为其将来在微纳能源方面的应用奠定了坚实的基础。