基于纳米ZnO压电纳米发电机
基于纳米压力发电机的道路减速带能量回收装置
基于纳米压力发电机的道路减速带能量回收装置作者：刘建檬来源：《科技风》2016年第09期摘要：合理利用汽车本身对道路的动力，设计回收这种能量的装置是减少能源浪费，延长能源使用年限的有效手段。
本文基于纳米发电技术，提出了将标准小汽车经过减速带时产生的动能转化为可利用的电能储存起来的装置，达到了降低汽车能耗的目的。
关键词：纳米发电；能量转换；减速带能量回收装置；标准小汽车随着经济的迅速发展，有限的能源被大量地消耗是人类待解决的一大难题。
减少能源供给的这种方式实现的可能性是很小的，只有从能源的有效利用和重新收集能源的方式上着手，才能有效地缓解能源短缺的压力。
公路上的汽车减速带主要是用来控制车速的一种装置，车碾过时总会向上一颠，这种上下运动就可以通过某种装置转化为电能。
减速带可以做成随着汽车碾过而下降的结构，每一次下降就可以产生一次电能，技术关键在于将机械能转化为电能的装置[ 1 ]。
1 关键技术1.1 铸钢减速带现状安装在公路上使经过的车辆减速的减速带主要有两种，分别是橡胶制和铸钢制的，这两种类型的减速带各有特点，橡胶减速带具有减震性，寿命长，对车磨损少等特点。
但是，橡胶减速垫破损后，不能在原位置安装新的减速垫，而且旧安装位置留下的螺钉对车辆轮胎磨损大，甚至存在安全隐患，特别是过往重型车辆多或可安装减速带位置少的场所。
而铸钢减速带，是使用特种钢制作，承重在200吨以上，常用于高速公路、加油站、城市路口等超过200吨的机动车辆出口地带。
铸钢减速垫耐磨性强，承载重力大，不变形且寿命是橡胶减速垫的5～10倍。
1.2 车辆分析我国车辆类型繁多，可以分为五类，分别是载客车，载货车，三轮汽车，低速货车，摩托车和挂车，像载货车和载客车又分为中型、轻型和微型，在这里我们仅以轿车为例进行研究。
同时，汽车经过减速带时的质量应是总质量（汽车总质量=整备质量+驾驶员及乘员质量+行李质量）。
1.3 装置系统图我们研究的是汽车通过减速带时，利用设计的纳米压力发电机能量回收装置，将汽车的动能和重力势能转化为电能并储存起来，具体设计的装置如下所示：1.4 装置原理为收集汽车经过减速带时的能量并将其转化成可利用的电能，我们设计了一套装置，其具体工作原理如下。
纳米发电机工作原理
纳米发电机工作原理在现代科技发展的浪潮下，人们对于能源的需求量越来越大。
为了满足这一需求，科学家们一直在寻找新的能源技术。
纳米发电机便是其中一项创新的能源技术。
本文将介绍纳米发电机的工作原理以及其在未来的应用前景。
1. 概述纳米发电机是一种基于纳米技术的发电装置，尺寸非常小，仅有几纳米。
它可以将环境中的能量转化为电能，具有很高的能量捕获效率。
2. 纳米材料纳米发电机采用了先进的纳米材料，例如碳纳米管、石墨烯和氧化锌等。
这些材料具有独特的电子结构和优异的电导特性，使得纳米发电机能够高效地捕获能量并转化为电能。
3. 压电效应纳米发电机利用压电效应来产生电能。
当纳米材料受到力或压力作用时，晶格结构产生畸变，导致电荷分离。
这种分离的电荷会形成电场，从而产生电能。
4. 热电效应除了压电效应，纳米发电机还可以利用热电效应来产生电能。
当纳米材料的温度差异较大时，会产生电荷分离，形成电场，从而实现能量转换。
5. 应用前景纳米发电机具有很广阔的应用前景。
首先，它可以嵌入到各种微型设备中，如智能手机、可穿戴设备和传感器等，实现自动发电，减少对外部电源的依赖。
其次，纳米发电机可以应用于能量收集和储存领域，为微型电子设备提供稳定的电力供应。
此外，纳米发电机还可以用于生物医学领域，如体内植入物和生物传感器等，为医疗设备提供独立电源。
6. 挑战与展望尽管纳米发电机具有巨大的潜力，但目前还存在一些挑战。
首先，纳米发电机的制备工艺和材料研究仍处于探索阶段，需进一步优化和改进。
其次，纳米发电机需要满足小型化和高效能的要求，对工艺和设计提出了更高的要求。
此外，纳米发电机在商业化应用上还面临着成本和可持续性的问题。
展望未来，随着纳米技术的不断发展和成熟，纳米发电机有望成为解决能源问题的重要手段之一。
通过不断的研究与改进，我们可以期待纳米发电机在各个领域发挥更大的作用，实现更加便携、高效且环境友好的能源转换。
纳米发电机的出现将为人类带来更加便捷和可持续的能源生活。
纳米发电机的研究现状及发展趋势
纳米发电机的研究现状及发展趋势纳米发电机是一种新型的能源技术，它利用纳米级别的物理效应来转化和储存能量。
自2006年首次提出以来，纳米发电机在各个领域都展现了广泛的应用前景。
本文将概述纳米发电机的概念、历史和现状，并探讨其未来的发展趋势和挑战。
纳米发电机是一种基于纳米尺度效应的能量转换装置。
它将机械能、热能或其他形式的能量转化为电能，并通过纳米结构将这种能量储存起来。
纳米发电机的主要优势在于其高度的灵活性和定制性，使其能够适应各种不同的应用场景。
生物医学领域：在生物医学领域，纳米发电机可以通过植入式设备为人体提供持续的电能，从而实现如起搏器、药物输送、无线通信等医疗功能。
环境监测领域：纳米发电机可以用于环境监测领域，例如检测空气和水中的有害物质，以及监测生态系统的能量流动。
国防领域：由于纳米发电机具有高度的灵活性和隐蔽性，它可以用于制造高效、隐蔽的无线通信系统和传感器，从而应用于国防领域。
自2006年首次提出纳米发电机的概念以来，研究者们在理论和实验方面都取得了重要的进展。
在理论研究方面，科学家们通过计算机模拟和理论分析，深入探讨了纳米发电机的物理机制和优化设计方案。
在实验方面，研究者们通过不懈努力，成功地制备出多种不同材料和结构的纳米发电机，并对其性能进行了详细研究。
近年来，纳米发电机在能量转换效率、稳定性和生物相容性等方面都取得了显著的突破。
例如，研究人员利用生物相容性良好的材料制备出一种新型的纳米发电机，可以在生理环境中长期稳定运行，为植入式医疗器械提供了新的能源解决方案。
还有研究团队开发了一种基于摩擦电效应的纳米发电机，可以将机械能转化为电能，从而实现能源的可持续利用。
随着纳米技术的不断进步和研究者们对纳米发电机认识的深入，纳米发电机的发展将迎来新的机遇。
以下是一些可能的发展趋势：材料创新：未来的纳米发电机有望使用更加高效、稳定和环保的材料。
例如，研究人员正在探索生物降解性良好的材料用于纳米发电机的制备，以降低对环境的影响。
压电纳米发电机原理
压电纳米发电机原理引言压电纳米发电机作为一种微纳尺度的能量转换装置，通过压电效应将机械能转化为电能。
其特点是结构简单、体积小、灵活可变，被广泛应用于微型传感器、生物医学器械、智能设备等领域。
本文将详细介绍压电纳米发电机的原理及其应用。
二级标题1：压电效应在介绍压电纳米发电机之前，我们首先需要了解压电效应。
压电效应是指某些晶体或陶瓷材料在受到外力作用时，会产生电荷分离现象，即在晶体或陶瓷的表面产生正负电荷的分布。
这种现象是由晶体内部的结构变形引起的，其原理可以用固体电荷铃铛模型来解释。
二级标题2：压电纳米发电机结构压电纳米发电机的结构通常由压电材料、电极和底座三部分组成。
压电材料是实现能量转换的关键部分，一般采用具有压电效应的材料，如铅锆钛矿(PZT)、锆钛酸铅(PZ)等。
电极是连接压电材料与电路的纽带，用于收集产生的电荷。
底座则用于提供结构支撑和固定压电材料。
二级标题3：工作原理压电纳米发电机的工作原理可以分为两个阶段：压电效应和能量收集。
三级标题1：压电效应过程在外界施加压力的作用下，压电材料分子结构发生畸变，导致正负电荷的重分布。
这种电荷分布差异会生成电场，进而产生电势差。
通过形变效应，机械能被转化为电能。
三级标题2：能量收集过程在能量收集过程中，电极会收集分离产生的电荷，并将其存储在电容器中或直接输出给目标设备。
通过合理设计电极的形状、布局和压电材料的厚度，可以提高能量转换效率。
二级标题4：应用领域压电纳米发电机由于其微型化、高能量转换效率的特点，已被广泛应用于多个领域。
三级标题1：微型传感器压电纳米发电机可以将微小机械振动转化为电能，为微型传感器提供可持续的电源。
这对于一些数据采集、环境监测等领域非常重要。
三级标题2：生物医学器械压电纳米发电机可将机械能转化为电能，为生物医学器械提供能量支持。
例如，可用于植入式医疗设备、智能假肢等。
三级标题3：智能设备压电纳米发电机可以将机械振动、身体热能等转化为电能，为智能设备提供能源。
纳米晶体ZnO的应用
•
•
利用热蒸发法所得到的纳米带
ZnO纳米带的SEM图像和 XRD图像[10]
ZnO纳米的TEM和HRTEM图像以及 相关的电子衍射图像[10]
液相法
• 液相法：是指在制备的过程中，采用溶液作为媒介或载体传递能量，使反应 源发生一定的物理化学反应，从而结晶长大制备纳米材料的方法。 根据传递能量的方式或者载体不同，液相法主要包括溶剂热(Solvothemlal)、 水热法(Hydrothermal)、超临界流体液固法(Supercritical fluid-liquidsolid)、化学反应自组装法(Self-assembly)等方法。 液相法中由于中间过程比较复杂，有关合成机理的研究不如气相法成熟，目 前较为成熟的机理是超临界流体液固法合成纳米材料中提出的溶液一液相一 固相机理(Solution-liqllid-solid）。
参考文献
• • • • • • • [1] 刘智昂. Zn基纳米材料的制备、微结构、生长机理及光谱研究[D].南昌航空 大学,2012. [2] 叶晓云,周钰明. 纳米ZnO研究进展[J]. 化学与生物工程,2010,02:1-6. [3] 田晓亮,孙婉婷,谢明政,井立强. ZnO纳米棒阵列在TiO_2介孔薄膜上的生长及 其表征[J]. 无机化学学报,2012,07:1441-1446. [4] 贺惠蓉. 氧化锌的制备及性能研究[D].陕西科技大学,2013. [5] Wang Z L, Song J. Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays[J]. Science, 2006, 312(5771): 242-246. [6] 刘国强. 水溶液法制备ZnO纳米线/p+-Si异质结光电特性的研究[D].大连理 工大学,2012. [7] 张威,李梦轲,魏强,曹璐,杨志,乔双双. ZnO纳米线场效应管的制备及I-V特性 研究[J]. 物理学报,2008,09:5887-5892. [8] 王锦春. ZnO纳米线的光致发光（PL）行为研究[D].电子科技大学,2006. [9] Law M, Greene L E, Johnson J C, et al. Nanowire dye-sensitized solar cells[J]. Nature materials, 2005, 4(6): 455-459. [10] Pan Z W, Dai Z R, Wang Z L. Nanobelts of semiconducting oxides[J]. Science, 2001, 291(5510): 1947-1949.
《基于摩擦-压电纳米发电机的呼吸防护与动力学传感》
《基于摩擦-压电纳米发电机的呼吸防护与动力学传感》篇一基于摩擦-压电纳米发电机的呼吸防护与动力学传感一、引言随着科技的飞速发展，人类对健康监测与防护的需求日益增长。
在众多健康监测手段中，呼吸防护与动力学传感显得尤为重要。
为了更好地实现这一目标，我们结合了新兴的摩擦/压电纳米发电机技术，以开发出一种高效、可靠的呼吸防护与动力学传感系统。
本文将详细介绍该系统的原理、设计、应用及优势。
二、摩擦/压电纳米发电机技术概述摩擦纳米发电机（TENG）和压电纳米发电机（PENG）是近年来新兴的能源转换技术。
它们基于材料之间的摩擦或压电效应，能够直接将机械能转换为电能。
这种技术具有结构简单、能量转换效率高、无需外部电源等优点，因此在能源、传感器等领域具有广泛的应用前景。
三、基于摩擦/压电纳米发电机的呼吸防护系统设计我们设计的呼吸防护系统采用了摩擦/压电纳米发电机技术，通过捕捉人体呼吸过程中产生的微小机械能，将其转换为电能，为呼吸防护设备提供持续的能源。
此外，该系统还能实时监测呼吸频率、深度等参数，为医生提供病人的呼吸状况信息。
四、动力学传感应用除了为呼吸防护设备提供能源外，我们的系统还能应用于动力学传感。
通过在关键部位安装纳米发电机，可以实时捕捉人体的运动信息，如步态、姿势等。
这些信息对于运动分析、康复训练、人体力学研究等领域具有重要价值。
五、系统设计与实现我们的系统设计主要包括以下几个部分：1. 材料选择：选用具有良好摩擦/压电性能的材料，如聚合物薄膜等。
2. 结构设计：设计合理的结构，使纳米发电机能够有效地捕捉人体呼吸及运动过程中的机械能。
3. 电路设计：将摩擦/压电纳米发电机与电路连接，实现电能转换与存储。
同时，通过电路设计实现实时监测与数据传输。
4. 软件算法：开发相应的算法，对监测到的数据进行处理与分析，得出呼吸及运动参数。
在实现过程中，我们采用了先进的微纳加工技术，实现了纳米发电机的微型化、集成化。
同时，通过优化材料选择和结构设计，提高了能量转换效率及系统稳定性。
智能纳米发电机[发明专利]
![智能纳米发电机[发明专利]](https://img.taocdn.com/s3/m/86f9ecc59f3143323968011ca300a6c30c22f1ed.png)
(19)中华人民共和国国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201711223600.4(22)申请日 2017.11.17(71)申请人 宁波高新区世代能源科技有限公司地址 315040 浙江省宁波高新区聚贤路587弄15号2#楼033幢5-1-13室(72)发明人 赵军政 赵倩 (51)Int.Cl.H02N 2/18(2006.01)(54)发明名称智能纳米发电机(57)摘要一种智能纳米发电机，由ZnO纳米线、柔性聚二甲基硅氧烷橡胶、石墨烯聚合而成的汽车轮胎复合层，汽车轮胎复合层是指ZnO纳米线在汽车轮胎的法向与柔性聚二甲基硅氧烷橡胶交替组合，组成ZnO纳米线法向矩阵的复合层，柔性聚二甲基硅氧烷橡胶作为填充材料，ZnO纳米线竖直矩阵作为压缩发电材料，复合层ZnO纳米线的两端层分别各有一层石墨烯层分别作为正负电极层，正负电极层外面分别各有一层绝缘层；所述的汽车轮胎复合层在汽车轮胎制造过程中，被复合在轮胎外胎的耐磨层之内或者内胎之中或者内胎和外胎之中，在汽车旋转运行过程中，输出电流恒定；本发明的点：智能纳米发电机输出功率大，使用价值高，工业应用和产业化的价值巨大，节能减排降耗。
权利要求书1页 说明书3页CN 107896073 A 2018.04.10C N 107896073A1.一种智能纳米发电机，其特征是：所述的智能纳米发电机含有ZnO纳米线，所述的ZnO 纳米线被复合在汽车轮胎中。
2.根据权利要求1所述的智能纳米发电机，其特征是：所述的智能纳米发电机含有ZnO 纳米线、柔性聚二甲基硅氧烷橡胶、石墨烯聚合而成的汽车轮胎复合层。
3.根据权利要求1所述的智能纳米发电机，其特征是：所述的汽车轮胎复合层在汽车轮胎制造过程中，被复合在轮胎外胎的耐磨层之内或者内胎之中或者内胎和外胎之中。
4.根据权利要求1所述的智能纳米发电机，其特征是：所述的汽车轮胎复合层是指ZnO 纳米线在汽车轮胎的法向与柔性聚二甲基硅氧烷橡胶交替组合，组成ZnO纳米线环向阵列的复合层，所述的法向是指在汽车轮胎的圆周平面内、垂直于圆周线方向的直径方向，柔性聚二甲基硅氧烷橡胶作为填充材料，ZnO纳米线环向阵列作为压缩弯曲变形的发电材料。
柔性压电纳米发电机研究进展
柔性压电纳米发电机研究进展作者：张光杰丁一来源：《新材料产业》 2017年第7期压电纳米发电机是一种利用压电效应将机械能转换为电能的器件。
在外界机械作用下，压电材料产生的极化电荷和随时间变化的电场可驱动电子在外电路发生流动，进而产生电能。
近年来，柔性电子器件在可穿戴、可植入电子器件等方面得到了广泛应用。
压电纳米发电机需要对复杂机械作用如弯曲、拉伸、扭转等产生响应并输出电能，且适应不同形状的表面以满足可穿戴、可植入等要求。
因此，开发出具备很好的柔性和稳定性的压电纳米发电机至关重要。
目前已有的压电材料中，除了压电聚合物材料如聚偏氟乙烯及其共聚物、聚乳酸等，多数无机压电材料都为硬脆材料。
通过材料和结构设计可以实现柔性的压电纳米发电机，根据材料和结构设计上的不同，可将现有的柔性压电纳米发电机分为2种：一种是利用低维压电材料如纳米线或薄膜等相对较好的应变承受能力，在柔性衬底上构建器件；另一种是将压电材料与柔性聚合物材料进行复合，得到独立的柔性复合压电材料并构建器件。
下面对这2种柔性压电纳米发电机分别进行介绍。
一、依托柔性衬底的压电纳米发电机块体压电材料通常不具备柔性，当压电材料尺寸降低至微米或纳米尺度时，其机械性能和稳定性会明显增强。
例如，氧化锌（ZnO）纳米线可承受 4%～7%的拉伸应变而不损坏，其断裂强度可高达7GPa。
理论和实验均表明，随着ZnO尺寸的下降，其断裂应变和强度均有所提高。
因此，利用低维压电材料如纳米线或薄膜构建压电纳米发电机可实现器件的柔性。
以平面柔性聚合物如聚对苯二甲酸乙二醇酯（P E T）、聚苯乙烯（PS）、聚酰亚胺（PI）作为衬底，在表面制备低维压电结构，当柔性衬底弯曲时会引起压电材料内部发生拉伸或压缩应变，从而产生压电电势。
首先，一些采用横卧的纳米线结构的纳米发电机被设计出来，如图 1所示。
Yang等 [1] 通过金属电极将ZnO微纳线固定于柔性基底上，并通过弯曲柔性基底使微纳线拉伸或压缩，产生了20 ～50mV的交流压电输出。
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ZnO NW arrays grown on patterns evaporated with 10 nm Cr at an angle of θ=70° in reference to the substrate normal.
SICCAS
Preparation
Au Al0.5Ga0.5N AlN
c-planeoriented sapphire
Wang X. D.,Song J. H.,et al(2005)."Growth of Uniformly Aligned ZnO Nanowire Heterojunction Arrays on GaN, AlN, and Al0.5Ga0.5N Substrates",Journal of American Chemical Society,127:7920-7923
SICCAS
Preparation
The orientation of the nanowires follows the surface curvature of the pattern at the end.
S., Y. Shen, et al. (2010). "Growth and Transfer of Monolithic Horizontal ZnO Nanowire Superstructures onto Flexible Substrates." Advanced Functional Materials 20(9): 1493-1495.
Advantage
1. Any substrates can be used for the lateral growth of ZnO NWs with this method.
2. The growth temperature(<100℃) is so low that the method can be applied to a wide range of substrates.
clean
spin coat photoresist
Optical lithography
pattern
Magnetron sputtering
deposit 300 nm ZnO and 10 nm Cr
Qin, Y., R. S. Yang, et al. (2008). "Growth of Horizonatal ZnO Nanowire Arrays on Any Substrate." Journal of Physical Chemistry C 112(48): 18734-18736
Yang, R., Y. Qin, et al. (2009). "Converting Biomechanical Energy into Electricity by a MuscleMovement-Driven Nanogenerator." Nano Letters 9(3): 1201-1205.
SICCAS
Preparation
Step 2: growth of laterally aligned NWs
Put the substrate into growth solution and aged for 12 h at 80 ℃
solution
Zn(NO3)2 and HMTA in the solution were both 0.0025 mol/L
SICCAS
16 LOGO
SICCAS
Preparation
2. Solution Growth Method
Two materials : ZnO seeds and a Cr layer
Step 1: fabricate a ZnO strip pattern covered with Cr at the top. (100) Si wafer
Step 2: Growth of ZnO NWs
Zn+O2
substrate
Au
ZnO
SICCAS
Preparation
Advantage
1. Simple, Mature and widely used. 2. Fit for preparing NWs with good dispersion.
SICCAS
Operational Principle
Experimental setup
Potential distribution
Wang, Z. L. and J. H. Song (2006). "Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays." Science 312(5771): 242-246
Wang, Z. L. and J. H. Song (2006). "Piezoelectric nanogenerators based on zinc oxide nanowire arrays." Science 312(5771): 242-246
SICCAS
Introduction
Research Significance The efficiency of the NW-based piezoelectric power generator is estimated to be 17 to 30%. This approach has the potential of converting mechanical, vibrational, and/or hydraulic energy into electricity for powering nanodevices. Achievements
3. Control growth orientation
SICCAS
Outlook
High out voltage
Novel nanostructure
SICCAS
Outlook
Harvest the energy produced by acoustic waves, ultrasonic waves, or hydraulic pressure/force
SICCAS
Operational Principle
Reverse- and forward-biased Schottky rectifying behavior
SICCAS
Operational Principle
Principle Application
SICCAS
Preparation
SICCAS
Introduction ZnO
Piezoelectric Semiconducting
Biosafe Biocompatible Biomedical applications with little toxicity
Most diverse and abundant configurations of nanostructures
2
3 4
SICCAS
Introduction
Nanogenerator
Convert nanoscale mechanical energy into electrical energy by means of piezoelectric zinc oxide nanowire (NW) arrays.
SICCAS
Preparation
Step 2: Growth of ZnO NWs
O2
Furnace
Thermal couple
View window
Alumina tube Ar+O2 ZnO + Graphite(950℃） Substrate（880℃）
Ar
To pump
SICCAS
Preparation
16 LOGO
Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide Nanowire Arrays
Members: 刘才 刘秉龙 李龙 龙胜 董伟
Contents
1
Introduction Basic Principle Preparation Outlook
Vapor-Liquid-Solid (VLS) Process
1
Preparation
2
Solution Growth Method
SICCAS
Preparation
1.Vapor-Liquid-Solid (VLS) Process
Step 1: Fabrication of substrate