一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统及方法技术方案

本发明专利技术涉及一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统及方法，属于电介质技术领域。该系统包括陷阱激励电源装置和测试样品室；陷阱激励电源装置包括独立层旋转式摩擦纳米发电机与旋转电动机，能够输出恒电荷、高电压，在电介质表面激励微功率的介质阻挡均匀放电，使得电子充分入陷、脱陷，产生足够强度且稳定的脱陷电流脉冲；测试样品室，用于固定被测电介质薄膜，并提供可控填充气体；测试电极结构可拆卸，能够更换不同测量模式的电极组；上下电极之间气隙距离能够调节。本系统具有无损、精准、二维成像的优势，进而获取高聚物薄膜材料表面陷阱态分布的详细信息，有助于功能材料的绝缘、储能、微纳表面特性等各项性能的检测与提升。

【技术实现步骤摘要】
一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统及方法
本专利技术属于电介质
，涉及一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统及方法。
技术介绍
陷阱态是一个至关重要且影响广泛的介观概念。陷阱态密度与陷阱能级分布是各类能源规模下的能量产生、存储、输送与变换器件与材料的重要基本参数。大量研究表明，表面陷阱态对于高聚物材料制备的器件性能具有广泛而显著的影响，比如应用于电力储能和高电压场合下的电气绝缘的聚合物电介质，以及能够产生清洁能源的太阳能薄膜电池、各类纳米发电机等等。在上述器件的生产制造过程中，由于组分材料的本征缺陷和添加剂的作用，能量水平处于禁带的局域态将在器件内部形成，即为电子陷阱态。陷阱态的存在，使得材料内出现了允许载流子停留的缺陷点，并进一步导致空间电荷聚积，最终造成器件电气性能与机械性能的劣化。因此，研究针对陷阱态密度的先进表征技术，对于提高能源材料性能与能源装备安全、构建高效可靠的能源互联网具有重要意义。近年来，研究者已提出多种陷阱态分布的测量方法，有等温表面电位衰减法、热刺激电流法、光刺激放电法、电声脉冲法、光谱法、变频电导测试、驱动电平电容分析法等。现有方法的基本原理是利用外加电场或光激发形成入陷电子，再对被测材料施加变频电场、温升、辐照等外部激励，使位于陷阱中心能级的电荷脱陷，并测量与脱陷电流及其等效电路参数有关的实验结果，从而直接或间接计算得到整个样品的宏观陷阱态参数。然而，由于难以稳定控制单次测量中与外加物理场没有本征关系的入陷电荷与脱陷电荷的数量，已有方法得到的测试结果往往仅能用于定性比较与唯象学解释，这在一定程度上限制了相关学科的进一步发展。更为重要的是，表面陷阱态的分布成像仍然面临巨大挑战，该方法的实现对于先进能源材料精密加工的技术水平具有深远影响。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统及方法，使统中的摩擦纳米发电机作为恒电荷高压电源，能够稳定激发脱陷电流，并根据脱陷电流信号进行单点陷阱态参数分析，与多点扫描陷阱态成像。为达到上述目的，本专利技术提供如下技术方案：一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统，包括陷阱激励电源装置、测试样品室，以及陷阱态参数提取分析方法；所述陷阱激励电源装置包括独立层旋转式摩擦纳米发电机与旋转电动机，能够输出恒电荷、高电压，在电介质表面激励微功率的均匀的介质阻挡放电，进而使得电子充分入陷、脱陷，产生足够强度且稳定的脱陷电流脉冲；所述测试样品室，用于固定被测电介质薄膜，并提供可控的温度、湿度、气压、不同种类的填充气体；测试电极结构可拆卸，并可更换不同测量模式的电极组；上下电极之间气隙距离可调节；所述陷阱态参数提取分析方法包括总放电电流采集方法、脱陷电流提取方法以及陷阱态参数计算方法。进一步，所述独立层旋转式摩擦纳米发电机包括传动装置和发电装置，所述传动装置包括联轴器和联动转轴，其作用是固定连接摩擦纳米发电机与外部旋转电机，摩擦纳米发电机运行所需要的机械能由外部旋转电机提供；所述发电装置包括上下两个定子圆盘和中间的转子摩擦层，以及定子与转子之间的缓冲层；所述定子圆盘朝向转子摩擦层的一面排列有两组内外互补分布的电极组，且内电极组以圆盘中心为中心点呈辐射状向边沿延伸，外电极组则以相反方向由边沿向圆盘中心延伸，相邻电极属于内外两个不同的电极组，且各电极圆心角度相同；所述转子摩擦层包括转子叶片和改性柔性聚合物薄膜，所述转子叶片与定子电极面积相同，共有两组转子叶片，以背靠背的方式分别面向上下定子内侧；所述改性柔性聚合物薄膜包覆在所述转子叶片上，聚合物薄膜的外侧表面能够完全覆盖一个定子电极的同时，而不与其相邻电极发生接触；所述定子与转子之间的缓冲层包括缓冲材料与支撑弹簧，缓冲材料填充在转子叶片与聚合物薄膜之间，支撑弹簧则被固定在两组转子之间，其目的是保持定子与转子的充分接触，提高摩擦起电电荷密度，并使其保持稳定。进一步，所述定子电极材料选自金属或合金，其中金属包括金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒，合金包括铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。进一步，所述柔性聚合物薄膜和柔性聚合物材料均选自以下任意一种薄膜材料：聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚物、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯、酚醛树脂、氯丁橡胶、纤维素、天然橡胶、乙基纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、人造纤维、聚乙醇缩丁醛、纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚乙烯丙二酚碳酸盐、人造纤维、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、液晶高分子聚合物和派瑞林，其厚度不低于50μm。进一步，所述改性柔性聚合物薄膜是指在柔性聚合物薄膜表面通过感应耦合等离子体反应刻蚀法制备纳米线结构，其制备方法为：将柔性聚合物薄膜用酒精和去离子水洗干净并干燥；使用溅射仪在全氟乙烯丙烯表面沉积一层Au纳米颗粒用来作为掩模诱导纳米线的形成；分别以10.0sccm、15.0sccm、30.0sccm的流速通入Ar、O2和CF4气体，使用高密度的等离子体产生器和等离子体加速器对全氟乙烯丙烯的表面进行刻蚀10分钟。进一步，所述缓冲层材料为发泡聚苯乙烯、发泡聚氨基甲酸酯、乙烯-醋酸乙烯共聚橡胶或聚乙烯化学交联高发泡材料中的任意一种，支撑弹簧采用弹簧钢、不锈钢线、黄铜线中的任意一种。进一步，所述独立层旋转式摩擦纳米发电机转子叶片和定子圆盘的组合方法是：将上下两个定子圆盘和中间两个转子叶片竖直排列，中心对齐，使用轴承将转子与转轴在垂直方向上固定，并采用连接销将其与转子内圆孔进行稳固，过程中需要保持两个转子不发生错位，然后旋转两个定子圆盘的角度，使其上方的电极位置相互对应；接着，调整转子叶片和上下两个定子圆盘之间的垂直距离，填入缓冲层与支撑弹簧并将其粘接固定，并使用铜线以串联的形式分别连接两组定子电极上的终端，并形成一对引出电极。进一步，所述测试样品室包括外壳、测试电极、气体调节装置；所述测试样品室外壳为有机玻璃材质，具有良好透光性，上部盖板可开闭，盖板与四周贴合处采用橡胶垫密封圈，保持关闭后具有良好的气密性；测试电极在外壳内部中心位置，并留有引出接线端，测试电极具有两种模组：单针-板式和针阵列-板式，分别用于单点分析和多点扫描成像；所述单针-板式测试电极模组包括上部针电极、针电极高度调节旋钮以及底部平板电极，电极材料为黄铜、紫铜或镍铬合金，针电极尖端直径小于30微米，针电极的顶部连接螺柱与可调旋钮，通过旋钮控制针电极的垂直位置，平板电极尺寸可根据样品电介质尺寸调整；所述针阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统，其特征在于：包括陷阱激励电源装置和测试样品室；/n所述陷阱激励电源装置包括独立层旋转式摩擦纳米发电机与旋转电动机，能够输出恒电荷、高电压，在电介质表面激励微功率的介质阻挡均匀放电，使得电子充分入陷、脱陷，产生足够强度且稳定的脱陷电流脉冲；/n所述测试样品室，用于固定被测电介质薄膜，并提供可控的温度、湿度、气压、不同种类的填充气体；测试电极结构可拆卸，能够更换不同测量模式的电极组；上下电极之间气隙距离能够调节。/n

【技术特征摘要】
1.一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统，其特征在于：包括陷阱激励电源装置和测试样品室；
所述陷阱激励电源装置包括独立层旋转式摩擦纳米发电机与旋转电动机，能够输出恒电荷、高电压，在电介质表面激励微功率的介质阻挡均匀放电，使得电子充分入陷、脱陷，产生足够强度且稳定的脱陷电流脉冲；
所述测试样品室，用于固定被测电介质薄膜，并提供可控的温度、湿度、气压、不同种类的填充气体；测试电极结构可拆卸，能够更换不同测量模式的电极组；上下电极之间气隙距离能够调节。


2.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统，其特征在于：所述独立层旋转式摩擦纳米发电机包括传动装置和发电装置；
所述传动装置包括联轴器和联动转轴，用于固定连接摩擦纳米发电机与外部旋转电机，摩擦纳米发电机运行所需要的机械能由外部旋转电机提供；
所述发电装置包括上下两个定子圆盘和中间的转子摩擦层，以及定子与转子之间的缓冲层；
所述定子圆盘朝向转子摩擦层的一面排列有两组内外互补分布的电极组，且内电极组以圆盘中心为中心点呈辐射状向边沿延伸，外电极组则以相反方向由边沿向圆盘中心延伸，相邻电极属于内外两个不同的电极组，且各电极圆心角度相同；
所述转子摩擦层包括转子叶片和改性柔性聚合物薄膜；
所述转子叶片与定子电极面积相同，共有两组转子叶片，以背靠背的方式分别面向上下定子内侧；
所述改性柔性聚合物薄膜包覆在所述转子叶片上，聚合物薄膜的外侧表面能够覆盖一个定子电极的同时，而不与其相邻电极发生接触；
所述定子与转子之间的缓冲层包括缓冲材料与支撑弹簧，缓冲材料填充在转子叶片与聚合物薄膜之间，支撑弹簧则被固定在两组转子之间，其目的是保持定子与转子的充分接触，提高摩擦起电电荷密度，并使其保持稳定。


3.根据权利要求2所述的一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统，其特征在于：所述定子的电极材料选自金属或合金；
其中金属包括金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；
合金包括铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。


4.根据权利要求2所述的一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统，其特征在于：所述柔性聚合物薄膜和柔性聚合物材料均选自以下任意一种薄膜材料：聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚物、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯、酚醛树脂、氯丁橡胶、纤维素、天然橡胶、乙基纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、人造纤维、聚乙醇缩丁醛、纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚乙烯丙二酚碳酸盐、人造纤维、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、液晶高分子聚合物和派瑞林，厚度不低于50μm。


5.根据权利要求2所述的一种摩擦纳米发电机驱动的电介质陷阱态测量和成像系统，其特征在于：所述改性柔性聚合物薄膜是在柔性聚合物薄膜表面通过感应耦合等离子体反应刻蚀法制备纳米线结构，制备方法为：将柔性聚合物薄膜用酒精和去离子水洗干净并干燥；使用溅射仪在全氟乙烯丙烯表面沉积一层Au纳米颗粒用来作为掩模诱导纳米线的形成；分别以10.0sccm、15.0sccm、30.0sccm的流速通入Ar、O2和CF4气体，使用高密度的等离子体产生器和等离子体加速器对全氟乙烯丙烯的表面进行刻蚀10分钟。


6.根据权利要求2所述的一种摩擦纳米发电机驱动的电介...

【专利技术属性】
技术研发人员：王季宇，王汉卿，廖瑞金，杨丽君，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆;50