文献综述
纳米发电机的设计与制造
摘要：纳米发电机可在纳米范围内将机械能转换为电能，在生物医学、军事、无线通信和无线传感方面都将有广泛的重要应用，可以让设备真正实现能量自供。本文首先介绍纳米发电机的分类与基本原理；继而提出几种设计与制造过程；最后展望了纳米发电机的应用前景以及一些前沿实验结果。
关键词：纳米发电机；静电纺丝；PVDF
- 纳米发电机
随着世界范围内能量需求的快速增长以及便携式和可穿戴电子设备的迅速发展，这类设备和系统从周围环境中获取能量的需求也越来越巨大。机械能作为环境中最常见的能源之一，长期以来一直通过发电机来转化为电能，比如电磁式发电机（EMG）、压电纳米发电机（PENG）等。[1]
纳米发电机是在纳米尺度内将机械能转化成电能。目前纳米发电机可以分为3类。一类是压电纳米发电机，压电纳米发电机是利用特殊纳米材料（氧化锌）的压电性能与半导体性能，把弯曲和压缩的机械能转变为电能的微型发电机。[2]一类是摩擦纳米发电机。它是利用了两种对电子束缚能力不同的材料，相互接触时得失电子而在外电路产生电流的微型电机。目前主要有四种模式，垂直接触分离，平面滑动式，单电极式，独立层式。第三类为热释电纳米发电机。
其中摩擦电纳米发电机（TENG）具有输出功率高、材料成本低、设计灵活多样、应用范围广等优点，具有良好的发展前景。它的工作原理是基于摩擦起电效应和静电感应过程。当两个表面接触时就会发生接触带电，从而在摩擦电层（TEL）上产生静电荷，可作为后续静电感应的电流驱动源。[3-4]两个表面产生相对位移时，根据 TEL 的位置重新分配每个表面内部的电势，使电极中的移动电荷被转移以平衡电势差。在这个过程中，电极之间形成了输出电压和电流，可以收集电能。同时产生的电信号也可以反应和反馈出材料的内部状况。[5]TENG的开路电压很高。对于具有电响应特性的高内阻材料，TENG可以直接有效地驱动或者精确控制它们，这是实现自驱动智能系统的最直接的组合方式。对比其他自驱动电压电源，TENG具有结构设计灵活、成本低廉和选材范围广等优点，尤其在低频机械能收集方向具有很大的应用前景。
- 纳米发电机的设计与制造
利用聚合物纳米纤维作为力电转换材料，可以感应体外运动所产生的摩擦力或压力，并将其转换为可识别的电信号，其中特别是静电纺丝生产的压电纳米纤维具有显著的机械能-电能转换能力。[6-8]
将一块PVDF纳米纤维网与两块厚度为10毫米的透明聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜夹在一起制成声传感器，薄膜的一侧涂有金溅射涂层，镀金表面与纳米纤维层接触作为电极收集信号，就形成了一个简易的纳米发电机。
电纺压电纳米纤维还具有良好的声电转换能力。以聚偏二氟乙烯为模型聚合物，利用声传感器直接将声音传输到纳米纤维层，发现该传感器可以准确分辨出中低频段的声波，特别适合于噪声检测。在声波检测中发现，纳米纤维层的尺寸对输出电压和灵敏度有影响。在其他条件不变时，随着纳米纤维网尺寸的增加，输出电压和灵敏度呈线性增加。[9]
