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石墨烯纳米片改性聚合物薄膜的摩擦发电行为研究

摩擦纳米发电机作为一种基于摩擦生电和静电感应耦合效应的清洁能源装置，能够有效收集日常生活中的低频能量（比如肢体运动），但在低频能量的长期稳定采集方面，其仍存在一些迫切需要解决的问题，如降低摩擦副材料的磨损，提高电输出性能和使用寿命等[1-4]。本研究从二维材料掺杂改性的角度出发，探讨石墨烯纳米片作用下聚合物薄膜的摩擦发电行为，实现聚合物薄膜的高输出、长寿命性能，揭示聚合物薄膜高输出长寿命的机理。利用接触分离式聚合物摩擦发电实验装置探讨不同石墨烯掺杂量下聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜的摩擦发电行为。如图1所示，PDMS薄膜短路电流最高提升18倍，开路电压最高提升3倍。石墨烯纳米片掺杂PDMS薄膜的COMSOL仿真计算结果表明石墨烯纳米片影响薄膜的介电常数。通过注塑成型装置制备了石墨烯纳米片掺杂聚四氟乙烯（PTFE）薄膜，考察石墨烯纳米片掺杂量对PTFE薄膜摩擦发电性能的影响。结果表明，掺杂石墨烯纳米片能够大幅提升PTFE薄膜的摩擦发电性能，最高短路电流为24.7 微安，开路电压为376.0 伏特，最后提出了石墨烯纳米片掺杂PTFE薄膜的低磨损行为机理。