机械设计与制造工程
Machine Design and Manufactueng Engineering
3Feb.2021 V o U50No.2
2021年2月
第50卷第2期
DOI：10.3969/j.ian.2095-509X.2021.02.019
杨平，汪朋飞
(深圳I大学机电与控制工程学院，广东深圳518060)
摘要：摩擦纳米发电机的出现为解决能源危机和环境问题提供了新的手段。通过制备不同石墨烯掺杂量的PDMS薄膜并进行试验，探讨了摩擦副材料、薄膜厚度、石墨烯掺杂量、载荷对石墨烯掺杂PDMS薄膜摩擦发电性能的影响，结果显示，石墨烯掺杂PDMS薄膜具有更高的电输出性能，最高短
路电流为3.8#A，开路电压为129.2V，相比纯PDMS薄膜分别增加了18倍和2倍，通过人工拍打实验获得305W/m2的输出功率密度。该研究为高介电常数PDMS薄膜的制备提供了一种新手段。
关键词：摩擦纳米发电机；石墨烯;PDMS薄膜；摩擦发电
中图分类号:TH117文献标识码:A文章编号：2095-509X(2021)02-0088-05
随着能源危机和环境污染等问题的日益加剧，新的能源收集方式的开发及利用成为当今社会关注的焦点。摩擦纳米发电机(triboelectec nanogen-erator,TENG)创造性地利用摩擦运动副的摩擦起电和静电感应耦合效应将无规律的机械能转化为电能，有效解决了当前低频能量收集的难题。自从2012年TENG被发明以来得到了研究人员的广泛关注［1］，研究热点集中于提高发电能力与效率%2-3］、拓展应用领域%4&和优化结构设计［5］等方
面，且在移动电子设备%6］、传感器网络%7］、自驱动系统%和生物医学领域%9&有着广阔应用前景。 摩擦副材料的性能对TENG的应用有着十分重要的影响%10&，在摩擦副材料合理选择的基础上对其进行内部改性处理对于TENG实际应用以及纳米能源和自供能系统的研究具有重要意义。聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiWxxne,PDMS)是一种高分子材料，具有透明、柔韧和良好的生物相容性，提高PDM
S薄膜的介电常数对于提高TENG的性能具有十分重要的意义。研究人员为了改善PDMS薄膜的性能进行了相关研究%11-12］，其中一种重要方法是在薄膜制备过程中添加纳米颗粒%13-14］，通过间隙的形成提升TENG的电学特性。
石墨烯作为一种性能优良的二维材料，具有较高的介电常数，现已被用于TENG中，体现出了较好的发电性能%15&'为进一步增强PDMS薄膜的摩擦发电性能，本文通过二维材料掺杂方式制备了一种石墨烯掺杂PDMS薄膜，利用接触分离式摩擦发电评价系统探讨了摩擦副材料、薄膜厚度、石墨烯掺杂量及载荷对石墨烯掺杂PDMS薄膜摩擦发电性能的影响，为PDMS薄膜在微纳能源方面的应用提供参考。
1试验方法
1.1接触分离式摩擦发电评价系统
如图1所示，自制的接触分离式摩擦发电评价系统由摩擦副装夹系统、水平运动系统、载荷控制系统和电学测量系统4部分组成。其中，摩擦副装夹系统由专用夹具组成，通过夹具固定左右摩擦副材料；水平运动系统由开关电源"S-120-24)、步进电机(57BYG250B)、步进电机驱动器"TB6600)、直线模组(FSL40E10005C7)和滑块等5部分组成，通过电机驱动左摩擦副材料做往复直线运动；载荷控制系统由金属接近开关(SNO4-N)、压力传感器(HZC-30A)和压力显示器"HZC-800)等3部成，接近关制
接的载荷(5~180N)；电学测量系统由电流放大器(Stanford SR570)和静电计(Keithley6517B)组成，分别用于测量左右摩擦副接触时的时短路电流和开路电压。实验中单次采样时间为稳定信号时间段的60-，接触分离周期约6s，每组实验测试3次,
收稿日期：2020-06-27
基金项目：国家自然科学基金面上项目(51575359)；深圳市基础研究学科布局项目(JCYJ20160427105015701)作者简介：杨平(1994—)，男，硕士研究生，主要研究方向为高性能摩擦纳米发电机，通讯作者：汪朋飞，男，畐卩研究员，wangpf@au.edu.
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2021年第2期杨平：基于PDMS薄膜的高性能摩擦纳米发电机研究
取最大值作为最终结果。
图1接触分离式摩擦发电评价系统示意图PDMS o
1.3PDMS薄膜摩擦发电器件
3，左以亚克力板为基板，使胶将铜胶带的贴在亚克力板引导线，在PDMS的工作仪(LJ-16)制备100nm厚度的贴在铜胶带表面°
样以亚克力板作为基板，胶将贴在亚克力板表面，将剪切贴在
引出导线，完成PDMS发
件的组装。实验度为20〜25C，相对湿度为45%〜60%RH°
1.2PDMS薄膜的制备
本的左材料选择PDMS,
制备不量的PDMS薄膜，对发性能进行。
1.2.1纯PDMS薄膜
如图2(o)所示，将聚二甲基硅氧烷(Syl-gard184,Dow Corning)胶原体和固化剂按10：1的质量比进行混均匀，在清中气30mk置(0〜10°C)保持30 min o将气的PDMS混液分别倒在标有刻度线(1mm、2mm和3mm)的3个容，将有液的容置在真空干，在80C度下固化1h，将PDMS与容器分离即可得到纯PDMS，液的刻度即为的厚度。
纯PDMS溶液
80°C加热］h
O
倒入特定容器固化纯PDMS薄膜⑻纯PDMS薄膜的制备
石墨烯纳米片纯PDMS溶液石墨烯掺杂
PDMS溶液
(b)石墨烯掺杂PDMS薄膜的制备
图2PDMS薄膜的制备流程
1.2.2石墨烯掺杂PDMS薄膜
2(b)，天平称取不同质量(0.625〜10mg)的(厚度6〜8nm，橡胶闸阀
度15#m)添加到PDMS混液的，使棒 混合，重纯PDMS的制备程，即可到具有的掺杂有的
珠片绣%亚克力板z玻璃片mm铝箔
養PDMS薄膜；；；；金膜嚣铜胶带
图3PDMS摩擦发电器件示意图
2试验结果与讨论
2.1不同右摩擦副材料的电输出性能
子能力较强的作为擦材料进行验，4o可，
与PDMS的短路路电压均优，的加稳定。当与PDMS薄接触、分离时，短路电流表的交流信
征，接离了最大小。开路压也表期性，小为0°
PDMS的荷积累，当荷积累到一定程度时开路电压不，此小值大于0，但在处路电压最小值
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2021年第50卷机械设计与制造工程
图4不同右摩擦副材料的电输出结果
2.2 不同厚度PDMS 薄膜电输出性能
对所制备的厚度分别为1 mm 、2 mm 和3 mm
的纯PDMS 进行 发电性能研究。 5
，随着 厚度的增加，短路 路电压
增大后减小， 厚度为2 mm 输出
性能 ，对的短路 路电压分别为287. 9 nA 81.5 V ，故
实验
2 mm 厚度的
PDMS 进行 发电性能 。
变化曲线
2.3 石墨烯掺杂PDMS 薄膜的拉曼表征
如图6
，对比 、纯PDMS 和石墨烯PDMS 的 光
可以发现,
的
征峰分别为位于1 582 cm"
1近的
G 峰
2 700 cm'1
附近的2D 峰；纯PDMS 的拉曼特征
峰位于2914 0」附近； PDMS 的
光谱表 纯PDMS 光相结的 征， 征 峰 别 位 1 582 cm -1
、 2 700 cm"
1
2 914 cm"1
附近。
表，石墨
均
布到PDMS 基体，制备的石
PDMS
满足摩擦发实验要求。
500 1 000
1 500
2 000 2 500
3 000 3 500
Raman shift/cm -1
2D
纯PDMS 人丿1
［牙墨烯掺杂PDMS/ \J
石墨廃 yv
tz
图6 石墨烯、纯PDMS 和石墨烯掺杂
PDMS 薄膜的拉曼光谱曲线
2. 4石墨烯掺杂对薄膜摩擦发电性能的影响
为了进一步增强PDMS
美容喷雾器
的 输出性能，将
不同质量的
(0.625 mg 、1.25 mg 、2.5
mg (5 mg 和 10 mg )分别
到 5.5 mL 的 PDMS 混
液中，制备出不
量的PDMS ,
对应的 发电性能测
7 o R
可知，随着 量的增加,PDMS 的
学性能
增大后减小的
°当
量为5 mg 时得到最大的短路 路电压，分
别为2.4讣和95.1 V ，相比纯PDMS ，短
路电流和开路电压分别增加了 8. 7倍和1. 2倍°
PDMS
发 性能的 ,
添加 PDMS 的 ，
单列调心滚子轴承
增大,
了 的
表面粗糙度，导致接触、分离过程中表 实接触
2. 5载荷对薄膜摩擦发电性能的影响
加不同载荷(5,10,20,30,60,90,120,
150,180 N )进行了
PDMS
发
・90
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2021年第2期杨平：基于PDMS薄膜的高性能摩擦纳米发电机研究
实验，8所示。可，随着载荷的
增大，PDMS的短路路电
压呈增大，载荷在5〜60N增加速率较快,
60N之后相对平稳,180N时短路路电压
达到最大值，分别为3.8#A和129.2V。实验结
表明，随着之向载荷的增大，真实接
增大的表荷量增加，提
了PDMS的整体摩擦发电性能。
图8不同载荷下石墨烯掺杂PDMS薄膜的
电输出变化曲线
3石墨烯掺杂PDMS薄的应用
表，PDMS相比纯PDMS短路路电压均增加，具备优异的发电性能。PDMS在
子设备中的实际，手对PDMS
接接离速度的灵活探索了输出行为潜能%16&。工实验中，将・PDMS切割成直径为70mm的圆形，
切割成直径为90mm的圆形，粘贴在雪弗板
后用双面胶分别粘贴在左右手掌上。如图9(a)、
(b)，不力度的拍
实验，最终可以得到最大短路/sCmox大
路电压"OVmax分别为367#A和3200V(采
压探头测量)，对的输出功度达到305W/m2，接入整流器后可以同时点亮1200个串联的蓝LED，9(c)o亍墨烯PDMS优的发电性能可以满足当便 子设备的求，为将来在微纳能源的定了坚实的。
4结束语
内作本制的接离发电评价系统，探讨了材料、厚度、量、
时间/s
(a)拍打时产生的短路电流
时间/s
(b)拍打时产生的开路电压
(c)l200个被点亮的LED灯珠
图9石墨烯掺杂PDMS薄膜的电输出及应用
载荷对PDMS薄膜摩擦发电性能的影响，得到如下：
1)PDMS薄膜厚度为2mm时其电输出性能最好。
2)石墨烯掺杂PDMS薄膜相比纯PDMS薄膜摩擦发电性能，5.5mLPDMS溶液
5mg的输性能好。
3)PDMS的发性能随载荷增加而增大,180N载荷时获输出性能。
4)PDMS在工连续拍打下可以实现305W/m2的最高功率密度。
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2021年第50卷机械设计与制造工程
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Strdy on the high output performance of PDMS film based triZoelectric nanogenerator
YangPing,WangPengtei
(Colleav of Mechatronid and Control EngineFng,
Shenzhen University,Guangdong Shenzhen,518060,China)
Abstract:The application of new energy harvesting Wchnomaies to resolve the current energy cFsis
and environ-mentaepeobeemshasa t eacted numeeousa t entions.Theemeegenceotteiboeeecteicnanogeneeatoepeoeidesanew strateyy for solving this problem.Through the fabFcation of graphene-doped polydimethymimxxne(PDMS) tiems,thee t ectsotteibopaiemateeiae,tiem thickne s,geaphenedopingcontent,and noemaeeoad on theteibo-
emctecot output peFormances of graphene-doped PDMS filos are systematically investigated.The results show that graphene-doped PDMS fiOns have higher emctecot output peFormanco,witli a maximum shoF-circuil current
of3.8#A increased by18times,and an open-circuO voltage of129.2V increased by2times.The maximum
output power density of305W/m2is achieved by using manual clapping experiment.This research provides a new method to prepare PDMS fit with high9X0—00constant,and thus demonstrates the potential of graphene-
doped PDMS films in micro-nano energy applications.
Key wordt:triboemctec nanoyenerator;graphene；PDMS film；tribo-electefication
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