活性炭橡胶复合制成的摩擦电材料

　　摩擦纳米发电机已成为一种将周围环境的机械能转化为电能的新型能源技术，它结合接触带电和静电感应的作用将机械能转化为电能。在这项测试中，活性炭被引入作为天然橡胶的填充材料，被用作摩擦纳米发电机的摩擦电材料。研究了活性炭橡胶复合材料中活性炭填料含量对摩擦纳米发电机性能的影响。

　　活性炭摩擦纳米发电机的制造和输出测量

　　发电机是通过使用氧化铟锡玻璃上的活性炭橡胶薄膜(图1)作为底部摩擦正极材料和聚四氟乙烯作为顶部摩擦负极材料的单电极配置组装而成的，如图1所示。图1下部分显示了通过使用示波器和数字电流表分别测量输出电压和电流来检查制造的摩擦纳米发电机的能量转换性能。在垂直接触分离模式下测试了发电机的性能。电压和电流输出信号是在10N的机械冲击力下获得的，冲击频率为5Hz，由直流电机驱动(24V，最大转速为2500rpm)。

　　图1：制造的摩擦电极的数字图像，包括涂在氧化铟锡基板上的橡胶和活性炭0.3、0.6和0.9%复合材料和活性炭发电机的工作机制。

　　如图1所示，由涂在氧化铟锡基板上的土壤橡胶和活性炭复合膜制成的摩擦电电极用作摩擦纳米发电机器件的底部电极。用于性能测试的设备配置和摩擦纳米发电机的工作机制如图1b所示。天然橡胶和活性炭复合膜为摩擦正极材料，四氟乙烯片材作为配对摩擦负极材料。接触带电和静电感应效应产生的电能描述如下。当四氟乙烯和橡胶基材料的表面接触时，两个表面会形成不同符号的表面电荷，四氟乙烯上形成负表面电荷，橡胶基材料上形成正表面电荷。两个表面的分离会导致电位降，这会导致自由电子从地面流向导电的ITO以平衡电位。这种状态下的电子流动会产生一个正电流信号。当两个表面再次恢复接触时，电位降减小并消失。这会导致电子流回地面，

　　由活性炭复合材料制造的发电机在活性炭浓度为0、0.3、0.6、0.9wt.%时的电输出如图2所示。发现电输出随着活性炭浓度的增加而增加，并达到90V的最大峰间电压(Vpp)和6.6µA的电流(Ipp)，如图2所这些输出高于没加活性炭的橡胶，即53V和4.5µA。然而，在0.9%的活性炭浓度下，发电机的电输出下降。从所有发电机的电流输出信号中获得的转移电荷与Vpp和Ipp一起绘制如图2c所示。结果发现，所有制造的活性炭发电机的转移电荷与其电压和电流输出的趋势相同，并且从活性炭0.6%的发电机实现了35nC的最大转移电荷。

　　图2：(a)输出电压，(b)输出电流，和(c)橡胶和活性炭含量0.3、0.6和0.9%的复合材料的转移电荷。

　　活性炭摩擦电材料工况及应用

　　活性炭摩擦电材料制成的发电机产生的电力能够充电或存储在商业电容中，如图3a中10、22、33和47µF电容器的电压充电曲线所示。47µF电容器在550秒内充电至3V。此外，如图3b电力被证明可以瞬间点亮44个绿色LED。此外，还展示了活性炭材料的运动传感应用。如图4所示，使用裸手指作为接触电极测试了单电极模式下的摩擦纳米发电机。当手指接触到活性炭材料表面时，即刻产生电信号，如图4所示。该信号可以用作运动传感器，可以检测任何运动，例如人体或薄膜表面上的物体的运动。

　　图3：(a)由活性炭制造的摩擦纳米发电机产生的电力充电的电容器的充电电压曲线(b)发电机电输出可瞬间点亮44个绿色LED。

　　图4：在单电极配置下使用手指轻敲和生成的电压信号的插图演示了活性炭制造的发电机运动传感应用。

　　经过长期研究制成的活性炭橡胶复合材料并用于制造摩擦纳米发电机，以将机械能转化为电能。由于活性炭填充材料的多孔结构的高表面积，活性炭填料的加入可以提高摩擦纳米发电机的电输出性能，这也可以作为电荷俘获位点来增强起电过程中产生的摩擦电荷。活性炭的合适浓度为0.6%，产生的最高电功率密度为242mW/m2，几乎是没添加活性炭材料发电机的三倍。产生的电力能够为商用电容器充电，从而为小型电子设备供电。此外，采用单电极配置的活性炭摩擦发电机能够检测人体的运动，可应用于运动传感应用。