《柔性磁电材料体系 自供能感知与能源俘获》苏彬作|(epub+azw3+mobi+pdf)电子书下载

图书名称：《柔性磁电材料体系 自供能感知与能源俘获》

【作　者】苏彬作

【页 数】 187

【出版社】 武汉：华中科技大学出版社 , 2023.01

【ISBN号】978-7-5680-8850-3

【价 格】98.00

【分 类】柔性材料-磁性材料-研究

【参考文献】 苏彬作. 柔性磁电材料体系 自供能感知与能源俘获. 武汉：华中科技大学出版社, 2023.01.

图书封面：

图书目录：

《柔性磁电材料体系 自供能感知与能源俘获》内容提要：

本书以华中科技大学苏彬教授近年来的研究成果为基础，系统地介绍了柔性磁电材料体系的概念、理论模拟、体系的三种工作原理及其在自供能感知与能源俘获领域的应用。首先，第1章介绍了柔性磁电材料体系的设计思路及其与国内外其他力电转换材料体系的比较。第2章介绍了利用AnsysMaxwell仿真软件对各种柔性磁电材料体系的力电转换性能进行理论计算的原则和方法。随后在第3-8章介绍了柔性磁电材料体系的三种工作原理及其典型器件。最后，第9、10章介绍了基于磁流体液滴的柔性磁电材料体系。其中，第8章内容应用于能源俘获领域，其余章节内容应用于自供能感知领域。本书涵盖了材料、工艺、器件应用等多方面内容，总结了著者2018年回国后最新的研究成果，既有理论分析，又有应用扩展。因此，本书可供各个工程领域人员阅读，亦可作为在校师生的参考书。

《柔性磁电材料体系 自供能感知与能源俘获》内容试读

第1章

绪论

1.1引言

随着现代信息技术的快速发展，人类文明已经进入了万物相联、数据爆炸的物联网时代。传感器技术作为现代信息技术的源泉，在物联网应用中发挥着关键作用。传感器是获取大自然信息的最主要的设备之一，它为一些极端条件、特殊环境以及人类无法进入的空间提供了有效的信息检测方式，服务于石油勘测、环境监测、航空航天电子、医疗安全等社会生活和国家安全领域口。新型传感器的研究已经关系到未来数字经济与智能产业化的发展。《中华人民共和国国民经济和社会发展第十四个五年规划和2035年远景目标纲要》明确指出，聚焦高端芯片、操作系统、传感器等关键领域，推动传感器等技术创新)。目前，全国多个省/市的十四五规划纲要同样要求加大传感器的研发和相关技术攻关力度，进一步扩展传感器的智能化和规模化应用。美国、欧盟和日本等也相继出台相关政策，意在大力推动传感器的发展和应用4刀。

物联网的建立使得无线传感网络迅速兴起并发展。无线传感网络中常用的低功耗电子设备和无线传感器通常由电池如铅酸电池、锂离子电池、镍氢电池或锌汞电池等进行供能。然而，这些电池的电量和寿命有限，使用一段时间后将被丢弃，严重影响了使用的便捷性并提高了其使用成本，并且废旧电池还会污染环境到。更为重要的是，一些传感设备常常位于较为偏远的位置，如海面上、太空天体表面以及人体内的植入传感器。这些特殊的应用场景使得对传感器中电池的更换/充电变得复杂、低效，甚至不可能（见图1-1）。为了解决这些问题，自供能技术，也被称作能量俘获技术1，被学者提出。自供能技术是传感器从周围环境中收集能量并为其自身提供能源的一类新兴技术。周围环境能源包括太阳辐射、风、振动、磁场以及人体运动产生的机械能等。理论上这些可再生环境能源可以提供无穷无尽的能量来驱动各种传感系统，这为解决适

1·

柔性磁电材料体系：自供能感知与能源俘获

用于特殊应用场景传感器供能的难题提供了有效的解决方案。

太空中

人体中

海洋中

不能换电池

不易换电池

不好换电池

图11特殊应用场景中的传感器。电池更换困难，需要开发自供能力电转换体系

1.2机电转换自供能传感器分类与存在的可题

为了制备不需要电池的自供能应力感知器件，人们不断地探索开发各种清洁的能源替代技术，如太阳能光伏、热电、燃料电池等方案，其中每种方案的优缺点可以在已发表的综述文章]中查找到，这些方案不是本书的讨论重点。本书着重讨论日常生活环境中存在的各种各样的零散机械能，例如震动、微风、生物活动、水流、波动等的能量，通过自供能感知与能源俘获器件，从而实现零散机械能的收集与利用。这类零散机械能的收集、转换、存储与利用技术是新

一代清洁能源技术，将促进绿色可再生能源高效利用的革命性创新，推动相关材料、器件与产业的技术发展。目前主要通过以下三种基本原理来转换/俘获机械能：压电效应、摩擦电效应和电磁感应效应16（见图1-2）。基于这三种原理的能量转换/俘获器件有其各自的特点和应用场景。

1.2.1基于压电效应的自供能传感器

基于压电效应的自供能传感器在受到外部压力时，使压电材料发生形变，在材料内部发生极化并在表面两端产生电势，能将外部施加的力根据一定规律转换成电压信号，构建力与电压的规律关系，进而测量施加力的大小。压电应变常数(dx和d31)与机电耦合系数(K)用于反映压电器件的力-电转换能力。

目前所用的压电材料可以分为无机压电材料、压电聚合物和压电复合物三

2

第1章

绪论

压电效应

摩擦电效应

电磁感应效应

图1-2三种具有力电转换功能的传感器件工作原理。()基于压电效应的

力-电转换机理；(b)基于摩擦电效应的力电转换机理；（©）基于电磁感应效应的力电转换机理

类。其中，无机压电材料又可分为压电单晶和压电陶瓷材料。压电单晶，如最

常见的氧化锌(ZO)材料，由于其具有压电常数大、环境友好和带隙宽等特点，

已经被广泛用于自供能传感器？。与压电单晶材料相比，压电陶瓷是指由许多具有随机晶体取向的小晶体组成的压电多晶体，在使用前通常需要通过极化过程来增强压电特性，主要包括锆钛酸铅陶瓷(PZT)、钛酸钡(BTiO3)和钡酸

盐等。压电聚合物，主要包括聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物聚偏氟乙烯-三氟

乙烯(P(VDF-TFE)),既具有柔韧性好、质量轻、易于加工等优势，但又存在压

电应变常数小、极化电场强度高等问题202)。为了同时获得压电常数大、柔性好、易加工的材料，通常将压电聚合物与无机压电材料进行复合，制备具有协同

效应的压电复合物，如PZT/PVDF等2。

研究学者报道了多种策略，包括对压电材料进行化学掺杂、构建纳米阵列微结构、表面钝化和构建异质结构等，用于增强自供能传感器的力-电转换能力2。氧化锌(ZnO)的掺杂可分为n型掺杂和p型掺杂。n型掺杂，可以改变晶格畸变，增大压电系数，从而改善其输出性能。p型掺杂可以降低自由电子的屏蔽效应。Jin等人[2制备了一系列金属掺杂ZnO材料，以PVDF为基底，制备了ZnO-PVDF薄膜，并探究不同金属掺杂对ZnO的形貌和自供能传感器的电输出性能的影响。该研究发现，经过锂(Ii)金属掺杂后，Li-ZO基自供能传

感器展现出最佳的电输出性能，平均电压可以达到3.43V,是无金属掺杂的

·3·

柔性磁电材料体系：自供能感知与能源俘获

ZnO基自供能传感器的9倍。Li-ZnO基自供能传感器不仅能用于可穿戴设备以识别不同的手势，而且能在2Hz的手指敲打频率下给电容器充电，并点亮二极管，展现出较高的力-电转换能力。此外，构建纳米阵列结构可以使表面电荷进行有效分离，从而增强压电效应。

Anand等人[2分别制备了随机排布和垂直阵列排布的ZnO纳米棒，并探究阵列的结构排布对自供能传感器的力-电转换性能的影响。将这两种排布不同的ZnO纳米棒分别与PVDF复合，制备了两种PVDF-ZnO复合薄膜。研究

表明，具有垂直阵列排布的ZO纳米棒结构的自供能传感器具有最佳的输出电

压，为46.64V,是随机排布的ZO纳米棒结构的自供能传感器的7倍多。构

建异质结构也是提升自供能传感器力-电转换性能的有效方法。Yi等人设计并制备了具有氧化镍-氧化锌(iOZO)异质结构的自供能传感器，发现

NiO-ZnO异质结构能在界面处形成稳定的pn结，并降低屏蔽效应，从而提高自供能传感器的力-电转换性能。相比无异质结构的自供能传感器，具有)

ZnO异质结构的自供能传感器的输出电压可以达到430mV,是无异质结构的自供能传感器的21倍。Han等人26]报道了通过钝化缺陷位点的方法来提高自供能传感器的力-电转换能力的工作。该工作研究了钝化二硫化钼(MoS,)中的

S空位对自供能传感器性能的影响。结果表明，钝化MoS2中的S空位可以减少载流子和有效地降低屏蔽效应。在最佳条件下，经S钝化后的单层MoS,基自供能传感器能输出22mV的峰值电压和0.73pW的峰值功率，分别是未钝化单层MoS2基自供能传感器的2倍和10倍。

为了将多种力转换成电信号，扩大自供能传感器的应用范围，研究学者设计了多种结构，包括平行板结构、双拱形结构、管状压电结构、叉指电极结构、三电极结构、织物结构等。目前自供能传感器的应用非常广泛，如航空航天领域的智能传感，机械工程领域的开关、加速度计等，土木工程领域的振动检测等，医学领域的医用传感器件和交通领域的车速监测和重量测试等8)。

1.2.2基于摩擦电效应的自供能传感器

基于摩擦电效应的自供能传感器在受到外部压力时，摩擦材料之间会彼此接触并发生摩擦。由于摩擦材料对电子的亲和力不同，电子在摩擦材料间转移，使两种摩擦材料分别带等量异号电荷。通过静电感应，在外部电极产生感应电压，能将外部施加的力根据一定规律转换成电压信号，构建力与电压的规律关系，进而测量施加力的大小。自2012年王中林院士团队93提出自供能传感器以来，经过十年的发展，自供能传感器可以将各种力转换成电信号并进

。4

第1章

绪论

行识别和监测，如监测手腕上的脉搏跳动，监测人的各种运动状态。此外，其还可以将环境中的机械能（风力、水滴、水流和波浪等的机械能）转换成电能，并通过电容器和电池将转换的电能储存起来，在能源收集领域中展现出广泛的应用前景3234

自供能传感器由摩擦材料与电极组成，其工作模式可以分为四种，分别为垂直接触模式、滑动模式、分离模式和单电极模式。摩擦材料十分广泛，从物质的形态来分，包含了固、液和气三种，空气和液滴也能进行摩擦，然后将外力转换成电能。

随着纳米发电机的快速发展，研究学者提出多种策略用于提高自供能传感器的力-电转换能力，包括材料的选择、材料微结构的构建、材料的杨氏模量选择、电子/离子的注入、等离子体表面处理和化学掺杂等。自供能传感器的机理是在摩擦过程中，不同摩擦材料对电子的亲和力不同，导致电子发生转移。因此选用两种对电子的亲和力差别大的摩擦材料，能有效提高自供能传感器的力-电转换能力。Gooding等人3总结了不同摩擦材料对电子的亲和力。目前常用的摩擦材料聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene(PTFE)),正是因为其对电子的亲和力强，在与电正性摩擦材料的摩擦过程中会发生更多的电子转移，从而提高了力-电转换性能。

在摩擦材料上构建微结构可以增大摩擦材料之间的有效接触面积，进而提高表面电荷的密度。材料表面的微结构可以进一步分为形貌结构（金字塔阵列、圆顶阵列、波浪结构、互锁结构等)、多孔结构和纤维/织物结构等。Yo等人[]设计了具有互锁微结构的摩擦层，用于增强自供能传感器的力-电转换性能。相比于平坦的摩擦层，由具有互锁微结构的摩擦层组装而成的自供能传感器在相同条件下，输出电压提高了14倍。具有最佳微结构的摩擦层的自供能传感器可以整合到机械手上，用于识别机械手的弯曲程度和物体表面的粗糙度。Fn等人)通过模板法分别制备了表面具有直线阵列、立方体阵列和金字塔阵列结构的摩擦材料，并研究不同的微结构形貌对自供能传感器的力-电性能的影响。其结果表明，具有金字塔阵列结构的摩擦材料组成的自供能传感器展现出最大输出电压，达18V。Chen等人38将介电材料整合到聚二甲基硅氧

烷(PDMS)材料上，制备了具有多孔结构的摩擦材料，用于提升自供能传感器的

力-电转换性能。其中，介电材料可以提高摩擦材料的介电常数，而多孔结构增

大了PDMS膜的比表面积和减小了PDMS膜的厚度，两者的共同作用提高了

摩擦材料的表面电荷密度。在最佳的介电常数和孔隙率下，自供能传感器的瞬

·5·

柔性磁电材料体系：自供能感知与能源俘获

时功率达到6.47W/m,其功率比由单纯的PDMS膜制备的自供能传感器提高了5倍。Zho等人3通过纺织技术制备了三种具有不同编织结构的自供能传感器，研究编织结构对自供能传感器的力-电转换性能的影响。实验结果表明，在5~25kP的压力范围内，具有机织结构的自供能传感器展现出最佳的力-电转换性能，灵敏度为0.51V/kPa。

Shin等人o通过化学掺杂方法分别在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)表面掺杂不同的卤素官能团和在不同的基底表面掺杂氨基官能团。结果表明，在

PET表面掺杂卤素官能团后，材料表面呈现电负性，且掺杂氯元素后材料的电

负性最强，而在不同基底表面掺杂氨基官能团后，材料表面呈现电正性，在聚醚

酰亚胺(PEI)基底表面氨基官能团以支链形式排布的材料具有最大的电正性。

选用电负性最强和电正性最强的两种摩擦材料而制备的自供能传感器展现出

最佳的力-电转换性能，其功率密度可以达到55W/,比由电负性最弱和电正

性最弱的两种摩擦材料组装的自供能传感器的功率密度高出两个数量级。

Wang等人1制备了具有纳米结构的摩擦层，然后在摩擦层相互接触的条件下，对上下两端电极施加时长为1h的10kV电压，对自供能传感器注入电荷。结果表明，注入电荷能使自供能传感器的电荷密度提升53%，其输出的电压能达到1008V。此外，Wang等人2)通过对自供能传感器的介电层表面进行离子注入，提高了自供能传感器的表面电荷密度，从而进一步提高了自供能传感器的力-电转换能力。结果表明，在表面注入离子后，自供能传感器的开路电压从200V提升至1000V,短路电流密度从18mA/m提高至78mA/m。随着自供能传感器的快速发展，自供能传感器的应用范围不断扩大，包括多种传感和能量收集领域，如可穿戴传感、风/水/波浪等能量收集等。

1.2.3基于电磁感应效应的自供能传感器

电磁感应效应由法拉第最早发现并提出，其核心是穿过闭合回路的磁通量发生变化时回路中将产生感应电动势]。电磁感应理论为“磁生电”现象提供了可靠的理论基础，同时也为可穿戴自供能器件的发展开辟了新的方向幻，在实用方面具有重要的意义。根据法拉第电磁感应定律，产生的电动势可采用以下公式计算16们：

E--N.Ad--△=-】Φafer一Φbefore

△

△

△4

式中：E为输出电压（单位为V);N为闭合线圈的匝数；△Φ为穿过闭合线圈的

磁通量的变化；△则为磁通量发生变化所消耗的时间。

。6

···试读结束···