实现介电聚合物陷阱表征的摩擦纳米发电机系统及方法技术方案

本发明专利技术公开了一种实现介电聚合物陷阱表征的摩擦纳米发电机(TENG)系统方法，由具有电荷补充功能的电荷激励TENG和具有高压击穿功能的空气击穿TENG以及电荷外激励电路组成；电荷激励TENG的一个部分由硬质基板、金属电极板和绝缘介电膜组成，另一个部分由金属电极板、软垫层和硬质基板组成；电荷外激励电路由两个整流二极管和电容连接而成；空气击穿TENG的一个部分由硬质基板和金属电极板组成，另一个部分包括硬质基板、凹形软垫层、碳硅胶电极板、待测试绝缘介电膜。相比于需要昂贵且复杂的高压发生器、表面电势检测仪、开尔文探针力显微镜等仪器的传统绝缘介电材料陷阱状态表征方案，本发明专利技术的设计方案更简单、更灵活、成本更低、适用场景更广。该发明专利技术所提供的介电聚合物陷阱态的检测在自供电系统、电气系统关于绝缘材料的应用上具有重要意义。应用上具有重要意义。应用上具有重要意义。

【技术实现步骤摘要】
实现介电聚合物陷阱表征的摩擦纳米发电机系统及方法


[0001]本专利技术属于摩擦纳米发电机领域，具体涉及一种基于空气击穿电荷注入实现介电聚合物陷阱表征的摩擦纳米发电机系统及测试方法。

技术介绍

[0002]由于人口的增加和技术的快速发展，全球能源消耗显著增加。开发新能源技术从而有效利用绿色能源被认为是解决能源问题的关键因素。基于摩擦带电和静电感应的耦合效应的摩擦纳米发电机(TENG)被视为是一种可以有效从自然环境中收集微弱能量的新兴技术，具有重量轻、生产成本低、操作简单和结构形态多样等显著优点。近年来，摩擦纳米发电机在为电信、医疗、军事和汽车行业以及物联网设备等各种应用中使用的电子组件和可穿戴设备供能方面展示出了巨大潜力。
[0003]提高TENG的输出功率是加强其在自供电系统中的实际应用效果的重中之重，而TENG的输出功率与其介电层的表面电荷密度的平方成正比关系。目前，大量工作围绕如何提升TENG的电荷密度被展开，包括表面图案化、官能团修饰、离子注入、材料复合等。本质上，这些工作的根本目的在于提升介电层捕获电荷的能力，而介电层的陷阱状态是衡量其电荷捕获能力的重要参数，掌握该参数对进一步提升TENG的输出性能至关重要。然而，如何表征介电层缺陷状态仍然是一个很大的困难和挑战。目前主要采用昂贵且复杂的高压发生器、表面电势检测仪、开尔文探针力显微镜等仪器的来实现绝缘介电材料陷阱状态表征。
[0004]因此，有必要专利技术一种基于TENG自身的缺陷表征技术，从而在TENG领域内建立一种简单、有效、普适的衡量介电层电荷捕捉能力的体系，以促进TENG在工业化和商业化的进程。

技术实现思路

[0005]为了解决上述技术问题，本专利技术的第一目的在于提供一种基于空气击穿电荷注入实现介电聚合物陷阱表征的摩擦纳米发电机系统，第二目的在于提供一种基于空气击穿电荷注入实现介电聚合物陷阱表征的测量方法，简单、有效、普适，且能促进TENG在工业化和商业化的进程。
[0006]为实现上述第一目的，本专利技术提供如下技术方案：一种基于空气击穿电荷注入实现介电聚合物陷阱表征的摩擦纳米发电机系统，其特征在于：由具有电荷补充功能的电荷激励TENG和具有高压击穿功能的空气击穿TENG以及电荷外激励电路组成；所述电荷外激励电路由两个整流二极管和电容通过导线连接而成的闭环电路，所述电荷激励TENG的两个电极分别连接到其中一个整流二极管两端的节点，所述空气击穿TENG的两个电极分别连接到电容两端的节点；所述空气击穿TENG的其中一个部分从上到下由硬质基板和金属电极板组成，另一个部分包括位于下侧硬质基板，在硬质基板上侧设置有开口向上的凹形软垫层，在凹型软垫层的凹槽中放置有碳硅胶电极板，所述碳硅胶电极板上侧覆盖待测试绝缘介电膜。
[0007]上述方案中：所述电荷激励TENG的其中一个部分从上到下由硬质基板、金属电极板和绝缘介电膜组成，另一个部分从下到上由硬质基板、软垫层和金属电极板组成。
[0008]上述方案中：所述电荷激励TENG和空气击穿TENG通过驱动装置实现接触分离。
[0009]上述方案中：所述驱动装置为直线运动电机。
[0010]上述方案中：所述空气击穿TENG和电荷激励TENG的其中一个电极固定在一块绝缘板上，另外一个电极固定在另一个绝缘板上，通过一个直线运动电机带动上下移动实现接触分离。
[0011]本专利技术的第二目的是这样实现的：一种基于空气击穿电荷注入实现介电聚合物陷阱表征的测量方法，其特征在于，包括所述摩擦纳米发电机系统，按照如下方法测量：
[0012]1)启动摩擦纳米发电机系统，让电荷激励TENG和空气击穿TENG持续接触分离，电荷激励TENG充当为一个电荷泵浦源，在外激励电路整流二极管的限制下，单向地持续向外激励电路中的电容补充电荷，电容与空气击穿TENG处于并联状态，两者电压相等，随着电容中电荷量的持续积累，空气击穿TENG两端的电压会持续升高，当电压超过空气击穿临界值
[0013][0014]V
AB
是空气击穿电压，P是大气压强，x是空气击穿TENG的动态分离距离，A和B是由环境因素决定的常数，标准大气压为101kPa时，A为2.87
×
105V(atm
·
m)
‑1，B为12.6，
[0015]空气击穿将会发生，空气被离子化为正离子和负离子，并在外电场的作用下，负离子向上迁移并与金属电极板中的正电荷中和，正离子则向下迁移，最终沉积到待测试绝缘介电膜表面；随着空气击穿的持续发生，待测试绝缘膜介电膜表面的沉积电荷逐渐增多，直到达到该材料所能容纳的极限；
[0016]2)当完成步骤1)的电荷自注入后，将空气击穿TENG进行单独的电气性能(电荷)测量，获得沉积电荷在待测绝缘介电膜上随时间变化的消散特性Q(t)，
[0017]并将其以公式Q(t)＝ae
‑
t/b
+ce
‑
t/d
(2)进行拟合，其中a、b、c和d是拟合参数，t时间；
[0018]结合公式和E
T
＝K
B
Tln(γt)(4)将可得到所测试绝缘介电膜的具体空穴陷阱参数，
[0019]N(E
T
)是陷阱态密度，ε0是真空介电常数为8.85
×
10
‑
12
F m
‑1，q
e
是单位电荷为1.602
×
10
‑
19
C，f0是电子或空穴的初始占有率，这里视为1，K
B
是玻尔兹曼常数1.38
×
10
‑
23
J K
‑1，T是环境温度，这里视为300K，ε
r
和L是待测介电材料的相对介电常数和厚度，δ是来表面电荷分布的范围；
[0020]E
T
是陷阱能级，γ是捕获电子的逃逸频率，γ＝2
×
10
13
s
‑1；
[0021]3)将空气击穿TENG两电级的连接节点对换，可使得沉积在待测试绝缘介电膜上的电荷正负性改变，重复步骤1)和2)，得到负沉积电荷的衰减特性和电子陷阱参数。
[0022]本专利技术通过电荷的持续积累引起电压不断升高，导致空气击穿的发生，实现电荷在介电聚合物表面的自注入；该方法通过测量注入电荷在介电聚合物上的自发性消散特征获取介电聚合物的缺陷状态。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：专利技术通过采取电荷积累所诱导产生空气击穿的策略，首次成功实现了基于摩擦纳米发电机自身的介电聚合物陷进状态的表征。采用接触分离式结构，保证了发电机的高耐磨性，延迟其在实际应用中的使
用寿命。待测绝缘介电膜的垫层部分采用具有高柔性、高导电性和一定黏附性的碳硅胶电极，一方面是使得待测绝缘膜的拆卸简单，提高发电机的重复利用率，另一方面是改善界面之间的接触状态，从而提高电本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于空气击穿电荷注入实现介电聚合物陷阱表征的摩擦纳米发电机系统，其特征在于：由具有电荷补充功能的电荷激励TENG和具有高压击穿功能的空气击穿TENG以及电荷外激励电路组成；所述电荷外激励电路为由两个整流二极管和电容通过导线连接而成的闭环电路，所述电荷激励TENG的两个电极分别连接到其中一个整流二极管两端的节点，所述空气击穿TENG的两个电极分别连接到电容两端的节点；所述空气击穿TENG的其中一个部分从上到下由硬质基板和金属电极板组成，另一个部分包括位于下侧的硬质基板，在硬质基板上侧设置有开口向上的凹形软垫层，在凹型软垫层的凹槽中放置有碳硅胶电极板，所述碳硅胶电极板上侧覆盖待测试绝缘介电膜。2.根据权利要求1所述基于空气击穿电荷注入实现介电聚合物陷阱表征的摩擦纳米发电机系统，其特征在于：所述电荷激励TENG的其中一个部分从上到下由硬质基板、金属电极板和绝缘介电膜组成，另一个部分从下到上由硬质基板、软垫层和金属电极板组成。3.根据权利要求2所述基于空气击穿电荷注入实现介电聚合物陷阱表征的摩擦纳米发电机系统，其特征在于：所述电荷激励TENG和空气击穿TENG通过驱动装置实现接触分离。4.根据权利要求3所述基于空气击穿电荷注入实现介电聚合物陷阱表征的摩擦纳米发电机系统，其特征在于：所述驱动装置为直线运动电机。5.根据权利要求4所述基于空气击穿电荷注入实现介电聚合物陷阱表征的摩擦纳米发电机系统，其特征在于：所述空气击穿TENG和电荷激励TENG的其中一个电极固定在一块绝缘板上，另外一个电极固定在另一个绝缘板上，通过一个直线运动电机带动上下移动实现接触分离。6.一种基于空气击穿电荷注入实现介电聚合物陷阱表征的测量方法，其特征在于，包括权利要求1
‑
5任一项所述摩擦纳米发电机系统，按照如下方法测量：1)启动摩擦纳米发电机系统，让电荷激励TENG和空气击穿TENG持续接触分离，电荷激励TENG充当为一个电荷泵浦源，在外激励电路整流二极管的限制下，单向地持续向外激励电路中的电容补充电荷，电容与空气击穿TENG处于并联状态，两者电压相等，随着电容中电荷量的持续积累，空气击穿TENG两端的电压会持续升高，当电压超过空气击穿临界值V
AB
是空气击穿电压，P是大气压强，x是空气...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡陈果，吴汇源，刘文林，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：