课题基金 / 基金详情

介电调控摩擦材料表面电荷密度及影响电荷迁移机制研究

批准号:
52103303
项目类别:
青年科学基金项目(C类)
资助金额:
30.0 万元
负责人:
史坤明
依托单位:
学科分类:
材料多功能集成与器件
结题年份:
2024
批准年份:
2021
项目状态:
已结题
项目参与者:
史坤明

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
摩擦电技术可将环境中机械能转化为电能,为电子器件稳定持续供能。然而,较低的输出功率是限制其作为独立电源广泛应用的瓶颈。摩擦材料表面电荷密度是影响器件电功率的关键,本项目拟结合摩擦电荷的产生、捕获/存储与泄漏三方面,通过调控介电性能及优化结构设计多功能夹层结构摩擦复合材料,显著提升材料表面电荷密度及器件电功率密度。拟采用策略是:(1)制备多孔铁电聚合物PVDF-TrFE摩擦层,结合铁电及压电效应,提高材料表面电荷生成;(2)制备高介电常数钛酸钡(BaTiO3)纳米复合材料,提升材料电荷捕获和存储能力;(3)复合材料改性优化,降低界面缺陷及介电损耗,构筑氮化硼(BN)电荷阻隔层,抑制泄漏电流,避免摩擦电荷与电极诱导电荷中和。通过控制各层结构参数来调控复合材料介电性能和表面电荷密度,阐明介电参数对摩擦电荷迁移的影响机制,建立“结构-介电-摩擦电”构效关系,促进新型摩擦材料及高功率密度器件的发展。
英文摘要
Triboelectric technology can convert various mechanical energy into electrical energy, which can provide stable and continuous electric power for smart electronic devices. However, its low output power is a bottleneck that limits its wide application as an independent power source. As the surface charge density is a key factor of triboelectric performance, this research intends to investigate the generation, trapping and leakage of triboelectric charges, and fabricate multifunctional composite friction layer via dielectric modulating and structure optimizing, for improving the surface charge density of triboelectric materials and the electrical power density of triboelectric devices. The proposed strategies are as follows: (1) Preparation of porous ferroelectric PVDF-TrFE friction layer for enhancing the triboelectric charge generation. (2) Fabrication of Barium Titanate (BaTiO3) based nanocomposites with high dielectric constant for strengthening the charge trapping and storing capacity of the triboelectric materials. (3) Modification of BaTiO3 and construction of boron nitride (BN) charge blocking layer for reducing interface defects and dielectric loss of composite materials, and inhibiting the leakage current of composite materials originated from the neutralization of friction charges with induced charge on the electrode. Through controlling the structural parameters of each functional layer, the dielectric properties and triboelectric properties of the nanocomposites can be adjusted. In addition, this research can establish the theoretical model of "structure-dielectric-triboelectric" and reveal the influence of dielectric parameters on the charge transfer mechanism, which will provide a new approach for constructing high-performance triboelectric materials and devices.
摩擦发电涉及电荷的转移、存储及耗散过程,综合决定着材料表面电荷密度及器件输出性能;材料介电性能可显著影响材料表面电荷密度,然而其调控摩擦电荷行为的物理机制尚不明确,仍制约着高性能摩擦材料及器件的发展。我们通过制备一系列不同介电属性的摩擦复合材料,借助原子力显微镜和开尔文探针力显微镜,在纳米尺度上原位表征纳米复合材料的摩擦起电及摩擦电荷动态变化;结合宏观摩擦电器件的电输出特性综合分析。研究发现:摩擦材料间转移电子数随接触力/接触面积的增加而增大,且随摩擦循环次数的增加表面电荷趋于饱和。高介电常数纳米粒子的加入能显著增强复合材料电容和电子存储能力,有效抑制电荷横向扩散,提高摩擦电器件输出性能。摩擦后材料表面电势/电荷随时间呈指数衰减特征。高纳米粒子含量下,由于界面交叠导致深陷阱密度降低,电荷在粒子间穿梭,更多电荷迁移到材料本体内部,与背电极上异性感应电荷结合,形成较大泄漏电流,导致表面电荷快速耗散。因此,聚合物中高介电纳米粒子对表面电荷的影响具有双重作用。此外,电荷转移是摩擦起电的重要物理机制,针对电荷在摩擦界面的转移,我们发现粘性界面相比传统非粘性界面可大幅提高电荷的转移,促进材料表面电荷密度的提高。研究表明粘性界面发生明显物质转移,材料界面粘附力与材料表面电荷密度及器件电输出呈正比。物质转移过程中伴随聚合物分子链共价键断裂产生大量带电离子,是粘性聚合物摩擦起电的重要作用机制;相比电子转移,物质转移对粘性界面电荷转移起主导作用。相比传统非粘性界面器件,粘性界面器件输出电压、电流、表面电荷密度分别提高了22倍、31倍和9.5倍;在20 N,1 Hz条件下,摩擦电器件输出电压可达938 V,输出电流可达225 mA∙m−2。因此,在设计高性能摩擦材料时,应综合考虑电荷的转移、储存及耗散特性。此研究可为电荷转移及介电调控电荷机制提供新见解,为制备新一代高性能摩擦材料及器件提供理论基础及独辟蹊径的方法策略。
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