基于PDMS薄膜的高性能摩擦納米發(fā)電機(jī)研究

楊 平, 汪朋飛

(深圳大學(xué)機(jī)電與控制工程學(xué)院,廣東 深圳 518060)

隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染等問題的日益加劇，新的能源收集方式的開發(fā)及利用成為當(dāng)今社會關(guān)注的焦點(diǎn)。摩擦納米發(fā)電機(jī)(triboelectric nanogenerator，TENG)創(chuàng)造性地利用摩擦運(yùn)動副的摩擦起電和靜電感應(yīng)耦合效應(yīng)將無規(guī)律的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，有效解決了當(dāng)前低頻能量收集的難題。自從2012年TENG被發(fā)明以來得到了研究人員的廣泛關(guān)注[1]，研究熱點(diǎn)集中于提高發(fā)電能力與效率[2-3]、拓展應(yīng)用領(lǐng)域[4]和優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)[5]等方面，且在移動電子設(shè)備[6]、傳感器網(wǎng)絡(luò)[7]、自驅(qū)動系統(tǒng)[8]和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域[9]有著廣闊應(yīng)用前景。

摩擦副材料的性能對TENG的應(yīng)用有著十分重要的影響[10]，在摩擦副材料合理選擇的基礎(chǔ)上對其進(jìn)行內(nèi)部改性處理對于TENG實(shí)際應(yīng)用以及納米能源和自供能系統(tǒng)的研究具有重要意義。聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)是一種高分子材料，具有透明、柔韌和良好的生物相容性，提高PDMS薄膜的介電常數(shù)對于提高TENG的性能具有十分重要的意義。研究人員為了改善PDMS薄膜的性能進(jìn)行了相關(guān)研究[11-12]，其中一種重要方法是在薄膜制備過程中添加納米顆粒[13-14]，通過間隙的形成提升TENG的電學(xué)特性。

石墨烯作為一種性能優(yōu)良的二維材料，具有較高的介電常數(shù)，現(xiàn)已被用于TENG中，體現(xiàn)出了較好的發(fā)電性能[15]。為進(jìn)一步增強(qiáng)PDMS薄膜的摩擦發(fā)電性能，本文通過二維材料摻雜方式制備了一種石墨烯摻雜PDMS薄膜，利用接觸分離式摩擦發(fā)電評價(jià)系統(tǒng)探討了摩擦副材料、薄膜厚度、石墨烯摻雜量及載荷對石墨烯摻雜PDMS薄膜摩擦發(fā)電性能的影響，為PDMS薄膜在微納能源方面的應(yīng)用提供參考。

1 試驗(yàn)方法

1.1 接觸分離式摩擦發(fā)電評價(jià)系統(tǒng)

如圖1所示，自制的接觸分離式摩擦發(fā)電評價(jià)系統(tǒng)由摩擦副裝夾系統(tǒng)、水平運(yùn)動系統(tǒng)、載荷控制系統(tǒng)和電學(xué)測量系統(tǒng)4部分組成。其中，摩擦副裝夾系統(tǒng)由專用夾具組成，通過夾具固定左右摩擦副材料；水平運(yùn)動系統(tǒng)由開關(guān)電源(S-120-24)、步進(jìn)電機(jī)(57BYG250B)、步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器(TB6600)、直線模組(FSL40E10005C7)和滑塊等5部分組成，通過電機(jī)驅(qū)動左摩擦副材料做往復(fù)直線運(yùn)動；載荷控制系統(tǒng)由金屬接近開關(guān)(SNO4-N)、壓力傳感器(HZC-30A)和壓力顯示器(HZC-800)等3部分組成，通過金屬接近開關(guān)控制摩擦副接觸時(shí)的載荷(5～180 N)；電學(xué)測量系統(tǒng)由電流放大器(Stanford SR570)和靜電計(jì)(Keithley 6517B)組成，分別用于測量左右摩擦副接觸時(shí)的時(shí)短路電流和開路電壓。實(shí)驗(yàn)中單次采樣時(shí)間為穩(wěn)定信號時(shí)間段的60 s，接觸分離周期約6 s，每組實(shí)驗(yàn)測試3次，取最大值作為最終結(jié)果。

圖1 接觸分離式摩擦發(fā)電評價(jià)系統(tǒng)示意圖

1.2 PDMS薄膜的制備

本文中的左摩擦副材料選擇PDMS薄膜，通過制備不同石墨烯摻雜量的PDMS薄膜，對其摩擦發(fā)電性能進(jìn)行研究。

1.2.1純PDMS薄膜

如圖2(a)所示，將聚二甲基硅氧烷(Sylgard184, Dow Corning)膠原體和固化劑按10∶1的質(zhì)量比進(jìn)行混合并攪拌均勻，在超聲波清洗器中脫氣30 min后放置冰箱中低溫(0～10 ℃)保持30 min。將經(jīng)過脫氣的PDMS混合液分別倒在標(biāo)有刻度線(1 mm、2 mm和3 mm)的3個(gè)容器中，將盛有溶液的容器放置在真空干燥箱中，在80 ℃溫度下固化1 h，自然冷卻后將PDMS與容器分離即可得到純PDMS薄膜，液面的刻度即為薄膜的厚度。

圖2 PDMS薄膜的制備流程

1.2.2石墨烯摻雜PDMS薄膜

如圖2(b)所示,使用天平稱取不同質(zhì)量(0.625～10 mg)的石墨烯納米片(厚度6～8 nm，寬度15 μm)添加到PDMS混合液的培養(yǎng)皿中，使用玻璃棒攪拌混合，然后重復(fù)純PDMS薄膜的制備過程，即可得到具有高介電常數(shù)的摻雜有石墨烯的PDMS薄膜。

1.3 PDMS薄膜摩擦發(fā)電器件

如圖3所示，左摩擦副以亞克力板為基板，使用雙面膠將銅膠帶的金屬面貼在亞克力板上并引出導(dǎo)線，在PDMS的非工作面使用濺射儀(LJ-16)制備100 nm厚度的金膜后粘貼在銅膠帶表面。右摩擦副同樣以亞克力板作為基板，使用雙面膠將玻璃片粘貼在亞克力板表面，將鋁箔剪切后粘貼在玻璃片上并引出導(dǎo)線，完成PDMS薄膜摩擦發(fā)電器件的組裝。實(shí)驗(yàn)時(shí)溫度為20～25 ℃，相對濕度為45%～60% RH。

圖3 PDMS摩擦發(fā)電器件示意圖

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 不同右摩擦副材料的電輸出性能

選擇失電子能力較強(qiáng)的銅箔和鋁箔作為右摩擦副材料進(jìn)行試驗(yàn)，結(jié)果如圖4所示。由圖可知，鋁箔與PDMS薄膜的短路電流和開路電壓均優(yōu)于銅箔，同時(shí)鋁箔的信號曲線更加穩(wěn)定。當(dāng)鋁箔與PDMS薄膜接觸、分離時(shí)，短路電流表現(xiàn)出明顯的交流信號特征，接觸和分離時(shí)出現(xiàn)了最大和最小電流值。開路電壓也表現(xiàn)出周期性，其最小值為0。這是由于PDMS薄膜的電荷積累效應(yīng)，當(dāng)電荷積累到一定程度時(shí)開路電壓原始數(shù)據(jù)基線不再偏移，雖然此時(shí)其最小值大于0，但在數(shù)據(jù)處理時(shí)取開路電壓最小值為0?；诖?，本文選擇鋁箔進(jìn)行后續(xù)實(shí)驗(yàn)。

圖4 不同右摩擦副材料的電輸出結(jié)果

2.2 不同厚度PDMS薄膜電輸出性能

對所制備的厚度分別為1 mm、2 mm和3 mm的純PDMS薄膜進(jìn)行摩擦發(fā)電性能研究。如圖5所示，隨著薄膜厚度的增加，短路電流和開路電壓都是先增大后減小，薄膜厚度為2 mm時(shí)其電輸出性能最高，對應(yīng)的短路電流和開路電壓分別為287.9 nA和81.5 V，故后續(xù)實(shí)驗(yàn)選取2 mm厚度的PDMS薄膜進(jìn)行摩擦發(fā)電性能研究。

圖5 不同厚度PDMS薄膜的電輸出變化曲線

2.3 石墨烯摻雜PDMS薄膜的拉曼表征

如圖6所示，對比石墨烯、純PDMS和石墨烯摻雜PDMS的拉曼光譜曲線可以發(fā)現(xiàn)，典型的石墨烯拉曼特征峰分別為位于1 582 cm-1附近的G峰和2 700 cm-1附近的2D峰；純PDMS的拉曼特征峰位于2 914 cm-1附近；石墨烯摻雜PDMS薄膜的拉曼光譜表現(xiàn)出石墨烯和純PDMS拉曼光譜相結(jié)合的特征，其特征峰分別位于1 582 cm-1、2 700 cm-1和2 914 cm-1附近。上述分析結(jié)果表明，石墨烯納米片已經(jīng)均勻分布到PDMS基體中，制備的石墨烯摻雜PDMS薄膜滿足摩擦發(fā)電實(shí)驗(yàn)要求。

圖6 石墨烯、純PDMS和石墨烯摻雜PDMS薄膜的拉曼光譜曲線

2.4 石墨烯摻雜對薄膜摩擦發(fā)電性能的影響

為了進(jìn)一步增強(qiáng)PDMS薄膜的電輸出性能，將不同質(zhì)量的石墨烯納米片(0.625 mg、1.25 mg、2.5 mg、5 mg和10 mg)分別摻雜到5.5 mL的PDMS混合液中，制備出不同石墨烯摻雜量的PDMS薄膜，其對應(yīng)的摩擦發(fā)電性能測試結(jié)果如圖7所示。由圖可知，隨著石墨烯摻雜量的增加，PDMS薄膜的電學(xué)性能呈先增大后減小的趨勢。當(dāng)石墨烯摻雜量為5 mg時(shí)得到最大的短路電流和開路電壓，分別為2.4 μA和95.1 V，相比純PDMS薄膜，其短路電流和開路電壓分別增加了8.7倍和1.2倍。石墨烯摻雜PDMS薄膜摩擦發(fā)電性能的提升，一方面是由于添加石墨烯納米片后PDMS薄膜的介電常數(shù)增大，另一方面是摻雜石墨烯后改變了薄膜的表面粗糙度，導(dǎo)致接觸、分離過程中表面真實(shí)接觸面積增大，轉(zhuǎn)移電荷量增加[15]。

圖7 不同石墨烯摻雜量PDMS薄膜的電輸出變化曲線

2.5 載荷對薄膜摩擦發(fā)電性能的影響

通過施加不同載荷(5,10,20,30,60,90,120,150,180 N)進(jìn)行了石墨烯摻雜PDMS薄膜摩擦發(fā)電實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖8所示。由圖可知，隨著載荷的增大，石墨烯摻雜PDMS薄膜的短路電流和開路電壓呈增大趨勢，載荷在5～60 N時(shí)增加速率較快，60 N之后相對平穩(wěn)，180 N時(shí)短路電流和開路電壓達(dá)到最大值，分別為3.8 μA和129.2 V。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，隨著摩擦副之間法向載荷的增大，真實(shí)接觸面積增大的同時(shí)表面轉(zhuǎn)移電荷量也顯著增加，提升了石墨烯摻雜PDMS薄膜的整體摩擦發(fā)電性能。

圖8 不同載荷下石墨烯摻雜PDMS薄膜的電輸出變化曲線

3 石墨烯摻雜PDMS薄膜的應(yīng)用

上述研究結(jié)果表明，石墨烯摻雜PDMS薄膜相比純PDMS薄膜其短路電流和開路電壓均顯著增加，具備優(yōu)異的摩擦發(fā)電性能?；赑DMS薄膜在電子設(shè)備中的實(shí)際應(yīng)用，通過人手掌拍打?qū)DMS薄膜接觸面積和接觸分離速度的靈活調(diào)控探索了其電輸出行為潛能[16]。人工拍打?qū)嶒?yàn)中，將石墨烯摻雜PDMS薄膜切割成直徑為70 mm的圓形，鋁箔切割成直徑為90 mm的圓形，粘貼在雪弗板后用雙面膠分別粘貼在左右手掌上。如圖9(a)、(b)所示，通過多人多次不同力度和頻率的反復(fù)拍打?qū)嶒?yàn)，最終可以得到最大短路電流ISCmax和最大開路電壓VOVmax分別為367 μA和3 200 V(采用示波器和高壓探頭測量)，對應(yīng)的最高輸出功率密度達(dá)到305 W/m2，接入整流器后可以同時(shí)點(diǎn)亮1 200個(gè)串聯(lián)的藍(lán)色LED燈珠，如圖9(c)所示。石墨烯摻雜PDMS薄膜優(yōu)異的摩擦發(fā)電性能可以滿足當(dāng)前便攜式電子設(shè)備的自供電需求，為其將來在微納能源方面的應(yīng)用奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

4 結(jié)束語

本文利用自制的接觸分離式摩擦發(fā)電評價(jià)系統(tǒng)，探討了摩擦副材料、薄膜厚度、石墨烯摻雜量、載荷對石墨烯摻雜PDMS薄膜摩擦發(fā)電性能的影響，得到如下結(jié)論：

圖9 石墨烯摻雜PDMS薄膜的電輸出及應(yīng)用

1)PDMS薄膜厚度為2 mm時(shí)其電輸出性能最好。

2)石墨烯摻雜PDMS薄膜相比純PDMS薄膜摩擦發(fā)電性能顯著提升，5.5 mLPDMS溶液中摻雜5 mg石墨烯納米片時(shí)薄膜的電輸出性能最好。

3)石墨烯摻雜PDMS薄膜的摩擦發(fā)電性能隨載荷增加而增大，180 N載荷時(shí)獲得最高電輸出性能。

4)石墨烯摻雜PDMS薄膜在人工連續(xù)拍打下可以實(shí)現(xiàn)305 W/m2的最高功率密度。