廣西大學導入PDMS-100壓電摩擦納米發(fā)電機測試系統(tǒng)

    廣西大學（Guangxi University）簡稱“西大”（GXU），坐落于廣西首府，是廣西唯一的國家“”211工程“建設學校，“雙一流”建設高校，教育部和廣西壯族自治區(qū)人民政府、國家建設高水平大學公派研究生項目、新工科”研究與實踐項目、卓越工程師教育培養(yǎng)計劃、卓越法律人才教育培養(yǎng)計劃、一省一校（Z14）聯(lián)盟成員，東盟大學聯(lián)盟、南亞東南亞聯(lián)盟成員，廣西重點支持的綜合性研究型大學建設高校。

    廣西大學導入PDMS-100壓電摩擦納米發(fā)電機測試系統(tǒng),對于新材料研究有著重要意義。這款設備連同ZJ-3型精密D33測試儀，PZT-JH30/1型壓電復合極化裝置，在壓電材料研究方面有著重要作用，對于本科教學和研究有重要的支持。

材料是一切事物的物質(zhì)基礎。從科學技術發(fā)展的歷史看，一種嶄新技術的實現(xiàn)，往往需要嶄新材料的支持。如果沒有1970年制成的使光強度幾乎不衰減的光導纖維，也不會有現(xiàn)代的光通信；如果不制成高純度大直徑的硅單晶，就不會有高度發(fā)展的集成電路，也不會有今天如此先進的計算機和電子設備。

從結構上分，現(xiàn)有固體材料可分為晶態(tài)和非晶態(tài)兩大類。玻璃等屬于非晶態(tài)材料。而金屬則是晶態(tài)材料，它們由許多晶粒組成，在晶粒內(nèi)部，原子按嚴格規(guī)則成點陣排列，就像列成方陣的整齊隊伍一樣，而在晶粒間界面處的原子則排列無序。
　　在各種材料中，金屬材料是人類進入工業(yè)社會以后，用得最早也最多的材料。作為結構材料，金屬材料主要包括鐵合金、鋁合金、鈦合金，它們的品種層出不窮，性能也遠非昔日可比。
　　材料技術的發(fā)展趨勢之一是尺度向越來越小的方向發(fā)展，以前組成材料的顆粒，其尺寸都在微米（百萬分之一米）量級，而現(xiàn)在出現(xiàn)了向納米（十億分之一米）尺度發(fā)展的材料。由于顆粒極度細化，晶界所占體積百分數(shù)增加，使得材料的某些性能發(fā)生截然不同的變化，例如，以前給人極脆印象的陶瓷，納米化后居然可以用來加工制造發(fā)動機零件；盡管各種塊狀金屬有不同顏色，但當其細化到納米級的顆粒時，所有金屬都呈現(xiàn)出黑色；納米材料的另一特點是熔點低，金的熔點通常是１０００多攝氏度，而晶粒尺度為３納米的金微粒，其熔點僅為普通金的一半。
　　納米材料是近幾年來最受關注的新材料之一，其重要意義越來越為人所認識。已有人預言“本世紀五十年代重視微米技術的國家，現(xiàn)在都取得了很大的發(fā)展，同樣，現(xiàn)在重視納米科技的國家，將在二十一世紀獲得高速發(fā)展。”IBM的首席科學家Amotrong也曾十分肯定的指出：“正像七十年代微電子技術引發(fā)了信息革命一樣，納米科學技術將成為下世紀信息時代的核心。”

PDMS-100型壓電材料摩擦納米發(fā)電機測試系統(tǒng)

關鍵詞：壓電，摩擦，納米，發(fā)電

前言：

PDMS-100型壓電材料摩擦納米發(fā)電機測試系統(tǒng)作為一種能量產(chǎn)生單元，在其內(nèi)部的電路中，由于摩擦起電效應，兩個摩擦電極性不同的摩擦材料薄層之間會發(fā)生電荷轉移而使得二者之間形成一個電勢差；在外部電路中，電子在電勢差的驅(qū)動下在兩個分別粘貼在摩擦電材料層背面的電極之間或者電極與地之間流動，從而來平衡這個電勢差。摩擦納米發(fā)電機的動力源既可以是已被人們認識的風力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身體的晃動、手的觸摸、下落的雨滴等從沒被人們注意過的環(huán)境隨機能源，還可以是車輪的轉動、機器的轟鳴等。

PDMS-100型壓電材料摩擦納米發(fā)電機測試系統(tǒng)利用摩擦起電效應和靜電感應效應的耦合把微小的機械能轉換為電能。這是一種新的技術并具有的輸出性能和優(yōu)點。它既用不著磁鐵也不用線圈，在制作中用到的是質(zhì)輕、低密度并且價廉的高分子材料。PDMS-100型壓電材料摩擦納米發(fā)電機的發(fā)明是機械能發(fā)電和自驅(qū)動系統(tǒng)領域的一個里程碑式的發(fā)現(xiàn)，這為有效收集機械能提供了一個全新的模式。

主要技術參數(shù)：

1、采樣率50k/s，連續(xù)可調(diào)。

2、分辨率16bit

3、輸入阻抗：1GΩ

4、輸入偏置電流：+200pA

5、電壓量程：10μV-200V

6、電流量程：20nA-20mA

7、電阻量程：10mΩ-200GΩ

1. 輸入電壓：220V 單相交流電；

2. 扭矩：1.2 牛米；

3. 有效運行長度：300mm 高精度皮帶傳控；

4. 定位精度：0.06mm；步進精度：0.0086mm

5. 最大運行速度：300mm/s；

6. 控制方式：電腦程序控制

7. 壓力傳感器：量程：0~100N，精度：+/- 0.1N

8.DAQ 數(shù)據(jù)采集卡：支持 NI 采集卡全系列，具體規(guī)格詳見 NI 官網(wǎng)(如:USB 6002,6003 等)，可定制開發(fā)

9. 面包板光學平臺尺寸: 長 600mm，寬 300mm，厚 13mm

10.頻率：0-5HZ

主要配置：

1、一體式驅(qū)控步進電機

2、24V 開關電源

3、壓力傳感器控制器

4、運動高精度模組

5、動子

6、壓力傳感器(拉壓雙向)

7、定子

      納米發(fā)電機，是基于規(guī)則的氧化鋅納米線的納米發(fā)電機，是在納米范圍內(nèi)將機械能轉化成電能，是世界上最小的發(fā)電機。納米發(fā)電機可以分為3類。

一類是壓電納米發(fā)電機，壓電納米發(fā)電機是利用特殊納米材料（氧化鋅） ^[1]的壓電性能與半導體性能，把彎曲和壓縮的機械能轉變?yōu)殡娔艿奈⑿桶l(fā)電機。還有一類是摩擦納米發(fā)電機，摩擦發(fā)電機利用了兩種對電子束縛能力不同的材料，相互接觸時得失電子而在外電路產(chǎn)生電流的微型電機。主要有四種模式，垂直接觸分離，平面滑動式，單電極式，獨立層式。第三類為熱釋電納米發(fā)電機。

基本原理

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一、壓電納米發(fā)電機原理

氧化鋅具有半導體和壓電的雙效應，其中肖特基勢壘保證了氧化鋅的可以向外輸出單向電流的能力，因為半導體與金屬接觸時，氧化鋅的電子逸出功小于鉑電極，電子從氧化鋅流入探針（鉑電極），氧化鋅顯示正電，形成了類似于PN結的形式，當外界電場方向從鉑電極到氧化鋅，內(nèi)部電子可以流動，輸出電流。

氧化鋅線彎曲時會產(chǎn)生兩側的電勢，由于氧離子與鋅離子相對移動，導致在壓縮的地方顯示負電，在拉伸的地方顯示正電，鉑探針可以看作零電勢。只有探針放在壓縮的一側時，產(chǎn)生的電勢差顯示正電，相當于PN被導通，在外電路產(chǎn)生電流。反之，相當于PN結的反向飽和電流，電流較小，不能產(chǎn)生電壓輸出。

二、摩擦納米發(fā)電機 ^[2]原理

采用了尼龍與聚四氟乙烯，兩者接觸時聚四氟乙烯得到電子，當滑移產(chǎn)生時，兩者離開接觸面的部分需要保持電中性，電子從聚四氟乙烯流向尼龍，這樣在外電路產(chǎn)生了向下的電流；當兩者相互接觸時，已經(jīng)接觸的面保持電中性，之前流動的電子需要流回才能保持電中性，這樣在外電路實現(xiàn)了向上的電流。

發(fā)展前景

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對于壓電發(fā)電機 ^[3]，前景是超聲波發(fā)電機和彎曲的柔性發(fā)電機。

超聲波發(fā)電機分為三層，第一層為涂有鉑的螺旋形硅電極，中間是氧化鋅的納米線，底部是導電性好的電極。通過超聲波對表面的振動，使得氧化鋅發(fā)生彎曲，鋸齒狀的鉑電極會接觸氧化鋅的一側，這樣就會有電流產(chǎn)生出來。

柔性發(fā)電機，發(fā)電機采用柔性的PDMS材料，在水平面上涂抹生長平行密集的氧化鋅納米線，在納米線兩極涂有金的電極，向外輸出電壓。通過彎曲基板，可以使納米線產(chǎn)生彎曲，一段產(chǎn)生正電一段負電，相當于將豎直面的彎曲引入到水平面上。

美國《科學》報道，美國佐治亞理工學院教授、中國國家納米科學中心海外主任王中林等成功地在納米尺度下將機械能轉換成電能，在世界上首次研制成功納米發(fā)電機。正在北京的王中林在接受《科學時報》采訪時說，“這是我在這個研究領域10多年最讓我激動的發(fā)明。”他認為這是國際納米領域的最讓人激動的重大發(fā)現(xiàn)，它一定會引起整個納米學界對納米電源方面研究的巨大熱潮。

作為佐治亞理工學院校董事講座教授和工學院杰出講座教授，王中林同時也是北京大學工學院先進材料和納米技術系系主任、中國國家納米科學中心海外主任，這項工作是他和博士生宋金會共同完成的。

王中林認識到氧化鋅獨特的半導體、光學和生物學性能，具有其它納米材料不可替代的作用，因此，他的研究小組一直致力于以氧化鋅為基礎的納米材料的合成和應用研究。2001年，他們在《科學》雜志上報告首次合成氧化鋅半導體材料帶，這篇論文已被引用1100多次。之后，他們又研制出納米環(huán)、納米螺旋等器件。

王中林相信納米發(fā)電機無論在生物醫(yī)學、軍事、無線通信和無線傳感方面都將有廣泛的重要應用。他說：“這一發(fā)明可以整合納米器件，實現(xiàn)真正意義上的納米系統(tǒng)，它可以收集機械能，比如人體運動、肌肉收縮等所產(chǎn)生的能量；震動能，比如聲波和超聲波產(chǎn)生的能量；流體能量，比如體液流動、血液流動和動脈收縮產(chǎn)生的能量，并將這些能量轉化為電能提供給納米器件。這一納米發(fā)電機所產(chǎn)生的電能足夠供給納米器件或系統(tǒng)所需，從而讓無納米器件或納米機器人實現(xiàn)能量自供。”

鞋內(nèi)裝上一個"納米發(fā)電機"，人們一邊走路一邊便可給手機或者MP3播放器充電。在不久的將來，這將有望成為現(xiàn)實。

王中林還表示，單個的納米發(fā)電機雖然研發(fā)出來了，但其畢竟功率有限。未來真正投入使用的話，必須要有大量的納米發(fā)電機共同工作，組成一個"發(fā)電機組"。因此，課題組下一步的工作便是要想辦法研發(fā)出多個納米發(fā)電機聯(lián)合發(fā)電的裝置。