摘 要

能源和环境危机已成为人类社会的重要问题。因此，设计绿色高效的能量收集和存储设备也变得越来越重要。随着便携化、微型化、集成化和可穿戴设备电子的发展，对传统能源器件提出了新的挑战，这也促进了可穿戴自供能器件的研究和发展。然而，高输出性能、多功能化以及穿着舒适的可穿戴自供能器件仍是当今重要的挑战之一，很多问题亟需解决。

本课题设计了一种基于皮革的可穿戴自供能器件，主要分为聚吡咯的导电皮革的合成、聚偏氟乙烯（PVDF）薄膜的设计与制备、器件结构的设计与优化三部分的研究工作。本课题的创新性在于利用皮革的多级结构，以皮革的多级结构作为载体，原位合成聚吡咯，得到具有优异性能的导电皮革，基于导电皮革制备了柔性的自供能器件。该器件性能好、舒适性好、可穿戴，可广泛应用于能量收集、传感、监测和安全等研究领域。本课题研究的开展，对推动可穿戴自供能器件的发展和应用具有重要的指导意义。

关键词：可穿戴自供能器件；皮革；聚吡咯；聚偏氟乙烯

ABSTRACT

Energy and environmental crisis has become an important issues for human society. Therefore, it is critical to design green and efficient energy harvesting and storage devices. With the booming development of the portable devices, the traditional energy conversion and collection devices are hard to meet the new requirements, such as portable, miniaturization, integratable and wearable. Also it promotes the development of wearable self-powered devices. However, developing a self-powered device with high output performance, multi-functionalization and comfortable still is one of the most important challenges and there are many problems need to be solved.

Our strategy is to design a new kind of wearable self-powered device based on leather, which including three parts: synthesis of conductive leather based on polypyrrole, design and preparation of poly (vinylidene fluoride) (PVDF), fabrication of device and optimization the performance. Due to the special hierarchical structure of leather and conductivity of polypyrrole, make the leather based self-powered device with high performance. In addition, the device is wearable and scalable, can be used in energy collection, sensing and safety.

Keywords: Wearable self-powered device; Leather; Polypyrrole;

目 录

摘 要 I

ABSTRACT II

第一章 绪论 1

1.1 摩擦发电机的概述 1

1.1.1 摩擦发电机的简介 1

1.1.2 摩擦发电机的种类 1

1.1.3 摩擦发电机的工作原理 5

1.1.4 摩擦发电机的关键参数 7

1.1.5 摩擦发电机的应用及其研究进展 9

1.2 压电发电机的概述 10

1.2.1 压电发电机的简介 11

1.2.2 压电效应和工作原理 12

1.3 皮革 12

1.3.1 皮革的结构和性质 12

1.3.2 皮革的生产工艺和优势 13

1.4 聚吡咯 13

1.5 聚偏氟乙烯 14

1.6 本课题的设计目的 15

第二章 实验部分 16

2.1 实验试剂和仪器 16

2.1.1 实验材料和试剂 16

2.1.2 实验仪器 16

2.2 聚吡咯原位聚合导电皮革 16

2.3 基于皮革的自供能器件的制备 17

2.4 基于皮革的自供能器件的性能表征 17

2.5 基于皮革的自供能器件收集人体机械能 18

第三章 结果与讨论 19

3.1聚吡咯处理前后皮革的形貌表征 19

3.2 基于皮革的自供能器件的性能测试 20

3.3 基于皮革的自供能器件收集人体产生的机械能 22

第四章 结论与展望 23

参考文献 24

致 谢 29

第一章 绪论

1.1 摩擦发电机的概述

1.1.1 摩擦发电机的简介

自古以来，摩擦起电通常被认为是一种负面影响。摩擦起电和静电现象是一种十分常见的物理现象，存在于人们生活中的各个层面。如果能设计一种新的方法，将摩擦产生的电能或者将生活中的一些不规律的动能收集起来，并转化为可以被人类利用的电能，这将对我们的生活产生重要影响。随着科学探究的不断深入，人们逐渐认识到摩擦带电具有广阔的应用潜力。近年来，基于摩擦起电和静电感应原理的摩擦发电机被研发出来，并有了多种结构设计^[1-10]

由于摩擦发电机基于摩擦起电效应和静电感应原理设计，其既不使用磁铁也不使用线圈，质量轻，密度低，成本低，并且可以使用大多数有机材料制造，能收集周围环境普遍存在的摩擦电，可以作为便携式或植入式的电子能源设备，在未来的物联网发展中作为自供电传感器存在巨大潜力。

摩擦发电机基于新型的工作原理和方法来设计的一种发电机。得益于它的材料优势，为柔性电子器件的研究提供了新的平台。同时，摩擦发电机的制造工艺规避了繁杂的生产工艺以及高昂的原材料，将有利于这类摩擦发电器件的大规模、低成本生产 ^[11]。

1.1.2 摩擦发电机的种类

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