苏州工业园区新国大研究院采购PDMS-100型摩擦纳米发电机测试系统

苏州工业园区新国大研究院采购PDMS-100型摩擦纳米发电机测试系统

炙手可热的纳米材料

材料是一切事物的物质基础。从科学技术发展的历史看，一种崭新技术的实现，往往需要崭新材料的支持。如果没有1970年制成的使光强度几乎不衰减的光导纤维，也不会有现代的光通信；如果不制成高纯度大直径的硅单晶，就不会有高度发展的集成电路，也不会有今天如此先进的计算机和电子设备。

从结构上分，现有固体材料可分为晶态和非晶态两大类。玻璃等属于非晶态材料。而金属则是晶态材料，它们由许多晶粒组成，在晶粒内部，原子按严格规则成点阵排列，就像列成方阵的整齐队伍一样，而在晶粒间界面处的原子则排列无序。
在各种材料中，金属材料是人类进入工业社会以后，用得最早也最多的材料。作为结构材料，金属材料主要包括铁合金、铝合金、钛合金，它们的品种层出不穷，性能也远非昔日可比。
材料技术的发展趋势之一是尺度向越来越小的方向发展，以前组成材料的颗粒，其尺寸都在微米（百万分之一米）量级，而现在出现了向纳米（十亿分之一米）尺度发展的材料。由于颗粒极度细化，晶界所占体积百分数增加，使得材料的某些性能发生截然不同的变化，例如，以前给人极脆印象的陶瓷，纳米化后居然可以用来加工制造发动机零件；尽管各种块状金属有不同颜色，但当其细化到纳米级的颗粒时，所有金属都呈现出黑色；纳米材料的另一特点是熔点低，金的熔点通常是１０００多摄氏度，而晶粒尺度为３纳米的金微粒，其熔点仅为普通金的一半。
纳米材料是近几年来最受关注的新材料之一，其重要意义越来越为人所认识。已有人预言“本世纪五十年代重视微米技术的国家，现在都取得了很大的发展，同样，现在重视纳米科技的国家，将在二十一世纪获得高速发展。”IBM的首席科学家Amotrong也曾十分肯定的指出：“正像七十年代微电子技术引发了信息革命一样，纳米科学技术将成为下世纪信息时代的核心。”

PDMS-100型压电材料摩擦纳米发电机测试系统

关键词：压电，摩擦，纳米，发电

前言：

PDMS-100型压电材料摩擦纳米发电机测试系统作为一种能量产生单元，在其内部的电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。摩擦纳米发电机的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身体的晃动、手的触摸、下落的雨滴等从没被人们注意过的环境随机能源，还可以是车轮的转动、机器的轰鸣等。

PDMS-100型压电材料摩擦纳米发电机测试系统利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能。这是一种新的技术并具有的输出性能和优点。它既用不着磁铁也不用线圈，在制作中用到的是质轻、低密度并且价廉的高分子材料。PDMS-100型压电材料摩擦纳米发电机的发明是机械能发电和自驱动系统领域的一个里程碑式的发现，这为有效收集机械能提供了一个全新的模式。

主要技术参数：

1、采样率50k/s，连续可调。

2、分辨率16bit

3、输入阻抗：1GΩ

4、输入偏置电流：+200pA

5、电压量程：10μV-200V

6、电流量程：20nA-20mA

7、电阻量程：10mΩ-200GΩ

1.输入电压：220V单相交流电；

2.扭矩：1.2牛米；

3.有效运行长度：300mm高精度皮带传控；

4.定位精度：0.06mm；步进精度：0.0086mm

5.最大运行速度：300mm/s；

6.控制方式：电脑程序控制

7.压力传感器：量程：0~100N，精度：+/- 0.1N

8.DAQ数据采集卡：支持NI采集卡全系列，具体规格详见NI官网(如:USB 6002,6003等)，可定制开发

9.面包板光学平台尺寸:长600mm，宽300mm，厚13mm

10.频率：0-5HZ

主要配置：

1、一体式驱控步进电机

2、24V开关电源

3、压力传感器控制器

4、运动高精度模组

5、动子

6、压力传感器(拉压双向)

7、定子

吉时利数据电压电流采集软件

压力传感器软件

纳米发电机，是基于规则的氧化锌纳米线的纳米发电机，是在纳米范围内将机械能转化成电能，是世界上最小的发电机。纳米发电机可以分为3类。

一类是压电纳米发电机，压电纳米发电机是利用特殊纳米材料（氧化锌）[1]的压电性能与半导体性能，把弯曲和压缩的机械能转变为电能的微型发电机。还有一类是摩擦纳米发电机，摩擦发电机利用了两种对电子束缚能力不同的材料，相互接触时得失电子而在外电路产生电流的微型电机。主要有四种模式，垂直接触分离，平面滑动式，单电极式，独立层式。第三类为热释电纳米发电机。

基本原理

播报

一、压电纳米发电机原理

氧化锌具有半导体和压电的双效应，其中肖特基势垒保证了氧化锌的可以向外输出单向电流的能力，因为半导体与金属接触时，氧化锌的电子逸出功小于铂电极，电子从氧化锌流入探针（铂电极），氧化锌显示正电，形成了类似于PN结的形式，当外界电场方向从铂电极到氧化锌，内部电子可以流动，输出电流。

氧化锌线弯曲时会产生两侧的电势，由于氧离子与锌离子相对移动，导致在压缩的地方显示负电，在拉伸的地方显示正电，铂探针可以看作零电势。只有探针放在压缩的一侧时，产生的电势差显示正电，相当于PN被导通，在外电路产生电流。反之，相当于PN结的反向饱和电流，电流较小，不能产生电压输出。

二、摩擦纳米发电机[2]原理

采用了尼龙与聚四氟乙烯，两者接触时聚四氟乙烯得到电子，当滑移产生时，两者离开接触面的部分需要保持电中性，电子从聚四氟乙烯流向尼龙，这样在外电路产生了向下的电流；当两者相互接触时，已经接触的面保持电中性，之前流动的电子需要流回才能保持电中性，这样在外电路实现了向上的电流。

发展前景

播报

对于压电发电机[3]，前景是超声波发电机和弯曲的柔性发电机。

超声波发电机分为三层，第一层为涂有铂的螺旋形硅电极，中间是氧化锌的纳米线，底部是导电性好的电极。通过超声波对表面的振动，使得氧化锌发生弯曲，锯齿状的铂电极会接触氧化锌的一侧，这样就会有电流产生出来。

柔性发电机，发电机采用柔性的PDMS材料，在水平面上涂抹生长平行密集的氧化锌纳米线，在纳米线两极涂有金的电极，向外输出电压。通过弯曲基板，可以使纳米线产生弯曲，一段产生正电一段负电，相当于将竖直面的弯曲引入到水平面上。

美国《科学》报道，美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等成功地在纳米尺度下将机械能转换成电能，在世界上首次研制成功纳米发电机。正在北京的王中林在接受《科学时报》采访时说，“这是我在这个研究领域10多年最让我激动的发明。”他认为这是国际纳米领域的最让人激动的重大发现，它一定会引起整个纳米学界对纳米电源方面研究的巨大热潮。

作为佐治亚理工学院校董事讲座教授和工学院杰出讲座教授，王中林同时也是北京大学工学院先进材料和纳米技术系系主任、中国国家纳米科学中心海外主任，这项工作是他和博士生宋金会共同完成的。

王中林认识到氧化锌独特的半导体、光学和生物学性能，具有其它纳米材料不可替代的作用，因此，他的研究小组一直致力于以氧化锌为基础的纳米材料的合成和应用研究。2001年，他们在《科学》杂志上报告首次合成氧化锌半导体材料带，这篇论文已被引用1100多次。之后，他们又研制出纳米环、纳米螺旋等器件。

王中林相信纳米发电机无论在生物医学、军事、无线通信和无线传感方面都将有广泛的重要应用。他说：“这一发明可以整合纳米器件，实现真正意义上的纳米系统，它可以收集机械能，比如人体运动、肌肉收缩等所产生的能量；震动能，比如声波和超声波产生的能量；流体能量，比如体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量，并将这些能量转化为电能提供给纳米器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，从而让无纳米器件或纳米机器人实现能量自供。”

鞋内装上一个"纳米发电机"，人们一边走路一边便可给手机或者MP3播放器充电。在不久的将来，这将有望成为现实。

王中林还表示，单个的纳米发电机虽然研发出来了，但其毕竟功率有限。未来真正投入使用的话，必须要有大量的纳米发电机共同工作，组成一个"发电机组"。因此，课题组下一步的工作便是要想办法研发出多个纳米发电机联合发电的装置。