用于高性能摩擦纳米发电机的材料表面纳米尺度改性

摩擦纳米发电机是近几年快速发展的新型机械能转换技术,具有能量密度大、成本低廉、可规模化等特点。聚四氟乙烯(PTFE)由于其在接触摩擦时得电子能力强且有利于提高器件的输出功率,一直被作为制备摩擦纳米发电机的常用材料。然而,PTFE的加工成型条件苛刻且弹性模量较低,难以满足摩擦纳米发电机对耐久性的要求。因此,迫切需要发展一种同时具备优异的摩擦起电性能和机械性能的新型材料。

 

中科院北京纳米能源与系统研究所朱光研究员、王中林院士及其研究团队通过等离子体表面改性的方法,对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)材料表面采用氧气和四氟化碳混合气体所产生的等离子体进行了短时处理。改性后的材料用于摩擦纳米发电机时,获得了优异的电学输出特性,较常规的PTFE薄膜更为优越,且保留了PET骨架的机械强度。通过深入表征发现,这种改性效果来源于两个方面。第一是等离子体刻蚀产生的纳米尺度的表面粗糙度,增大了有效接触面积;第二是在等离子状态下含氟自由基和氧自由基与PET中的长链大分子进行局部反应,在材料表面引入大量含氟基团,大幅提高了材料获得负电荷的能力。

这种用含氟气体等离子表面改性方法可以作为一种普遍适用于其它高分子薄膜材料,极大拓宽了摩擦发电机可选材料的范围,为进一步提高发电机输出性能和耐久性提供了新的思路。该工作发表在Advanced Functional Materials上(10.1002/adfm.201502318)。

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