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基于摩擦电效应的滚动轴承故障检测研究

四川轻化工大学学报（自然科学版） 2024年第5期37卷 31-39页

作者：丁泉文朱军湖北师范大学电气工程与自动化学院湖北黄石435002

由金属之间摩擦引起的电荷转移原理提出了一种基于摩擦电信号进行滚动轴承故障检测的方法。为此搭建了滚动轴承摩擦电信号采集实验台,首先设计了不同驱动模式的测试方案,探究摩擦电产生的原因;然后对轴承有/无润滑脂时摩擦电信号与摩擦... 详细信息

由金属之间摩擦引起的电荷转移原理提出了一种基于摩擦电信号进行滚动轴承故障检测的方法。为此搭建了滚动轴承摩擦电信号采集实验台,首先设计了不同驱动模式的测试方案,探究摩擦电产生的原因;然后对轴承有/无润滑脂时摩擦电信号与摩擦强度的关系进行了探究;最后设计了轴承在不同磨损阶段和不同故障程度下的实验。结果表明,摩擦电信号随轴承的转动而出现,且摩擦电信号受轴承内部摩擦强度影响,摩擦强度越大,产生的电信号也就越大。进一步地将摩擦电信号的近似熵和样本熵作为衡量摩擦电势大小的指标,发现轴承从正常状态至磨损逐渐加剧时,对应指标均随磨损程度增加而增加;另外在内圈故障宽度为0.3、0.6、0.8 mm时,近似熵分别为0.7635、0.9425、1.2212,样本熵分别为0.5416、0.6218、0.9776,呈现出随故障程度加剧而增加的趋势。在此基础上,建立了轴承状态与摩擦电信号之间的对应关系,验证了摩擦电信号在滚动轴承故障检测上的可行性。

关键词：摩擦电效应故障检测摩擦强度磨损故障程度

高取向立构复合化聚乳酸超细纳米纤维膜的制备及长效驻极与滤除PM0.3性能

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高等学校化学学报 2024年第10期45卷 29-39页

作者：王存民江亮李佳琪李欣雨张一帆袁慧张明明朱金佗徐欢雷磊侯冲郭震何新建中国矿业大学安全工程学院中国矿业大学材料与物理学院中国安全生产科学研究院北京新风航天装备有限公司

利用聚L-乳酸（PLLA）和聚D-乳酸（PDLA）链之间建立的立构复合产生强的分子间相互作用，并通过高压电场极化和高倍取向拉伸赋予聚乳酸（PLA）纳米纤维高的取向和细化，同时促进电活性相（β相、立构复合晶）的形成.得益于高取向的纤维... 详细信息

利用聚L-乳酸（PLLA）和聚D-乳酸（PDLA）链之间建立的立构复合产生强的分子间相互作用，并通过高压电场极化和高倍取向拉伸赋予聚乳酸（PLA）纳米纤维高的取向和细化，同时促进电活性相（β相、立构复合晶）的形成.得益于高取向的纤维形貌和优异的电活性，高取向立构复合化PLA（AS-PLA）纳米纤维膜的介电常数和表面电位分别高达1.68和5.4 kV.同时，AS-PLA纳米纤维膜表现出卓越的过滤性能和摩擦电性能，特别是PDLA添加量为40%时制备的PLLA/PDLA40纳米纤维膜，即使在85 L/min的高气流量下对超细空气颗粒物（PM0.3）的滤除效率仍达到90.51%，且空气阻力仅为240.6 Pa，明显优于纯PLA纤维膜（滤除效率80.34%，空气阻力251.4 Pa）.此外，在高湿度（RH=70%）和高强度呼吸气流（85 L/min）条件下，由AS-PLA纳米纤维膜作为摩擦电活性层组装的摩擦纳米发电机（TENG）过滤器仍显示出优异的PM0.3去除效率，达到95.02%，远远超过普通PLA过滤器（去除效率仅为89.50%），表现出强的电荷再生能力.电活性的提高显著改善了纳米纤维膜的初始极化能力和摩擦电性能，在保证纤维膜初始电荷充足的同时可依赖摩擦电效应实现电荷再生，在不牺牲空气阻力的前提下实现长效过滤.

关键词：立构复合化聚乳酸取向纤维电活性摩擦电效应超细空气颗粒物滤除

具备实时动态稳定性监测特性的高速混合陶瓷摩擦电滚动轴承

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机械工程学报 2024年第15期60卷 80-88页

作者：高帅韩勤锴褚福磊清华大学高端装备界面科学与技术全国重点实验室北京100084 米兰理工大学机械学院意大利米兰20158

滚动轴承运行的可靠性和稳定性是制约高速旋转机械性能的关键因素。为实现滚动轴承实时动态行为和稳定性监测,开发了一种高速混合陶瓷摩擦电滚动轴承。采用单侧开口的冠形保持架,将陶瓷滚珠作为介电材料,与设置在轴承端盖上的叉指电极组... 详细信息

滚动轴承运行的可靠性和稳定性是制约高速旋转机械性能的关键因素。为实现滚动轴承实时动态行为和稳定性监测,开发了一种高速混合陶瓷摩擦电滚动轴承。采用单侧开口的冠形保持架,将陶瓷滚珠作为介电材料,与设置在轴承端盖上的叉指电极组合,构成浮动滚动-滑动组合自由层式摩擦纳米发电机。在内外滚道牵引力作用下,介电陶瓷滚珠产生自旋和公转运动,进而扫掠电极输出交流电。电信号的频率特征与瞬态周期特征可作为评估轴承打滑与保持架稳定性的指标。本文研究了径向载荷、转速等工况参数以及电极尺寸、滚动体材料等结构参数对摩擦电轴承信号输出的影响。试验结果表明:较低径向载荷下,滚动体绝对打滑速度随转速升高明显升高;提高径向载荷,轴承保持架旋转稳定性降低。所制造的轴承样机实现了16000 r/min(DN值约0.45×10^(6)r/min·mm)下的稳定输出,并通过了3千万转的耐久性测试。该研究为高速滚动轴承智能化设计提供了技术参考。

关键词：摩擦电效应稳定性陶瓷滚动体滚动轴承打滑

静电是敌还是友?摩擦力效应在环境能量收集中的应用

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上海交通大学学报 2021年第S01期55卷 84-85页

作者：赵栗在上海交通大学交大密西根学院上海200240

你或许还记得因为害怕静电而不敢触碰金属把手.尽管泰勒斯在公元前600年就已观测到静电,但它的产生机制一直悬而未决.近年来,一些研究部分揭示了静电的深层产生机制,是由材料在纳米尺度下的突起变形引起的.这一进步将为许多静电相关的... 详细信息

你或许还记得因为害怕静电而不敢触碰金属把手.尽管泰勒斯在公元前600年就已观测到静电,但它的产生机制一直悬而未决.近年来,一些研究部分揭示了静电的深层产生机制,是由材料在纳米尺度下的突起变形引起的.这一进步将为许多静电相关的应用带来巨大的机会,意味着人类掌握了将静电化敌为友的关键.

关键词：静电摩擦电效应能量收集

Bi12TiO20摩擦催化性能及机理的研究

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Bi12TiO20摩擦催化性能及机理的研究

作者：徐盈颖浙江理工大学

学位级别：硕士

收集并利用环境中的清洁能源驱动催化反应降解污染物已成为了一种有效的环境治理方法。例如利用太阳能的光催化和利用环境冷热交替的热释电催化技术都在近年来得到了快速发展。但太阳光和持续的温度变化这两个条件无法在全天候实现,因... 详细信息

收集并利用环境中的清洁能源驱动催化反应降解污染物已成为了一种有效的环境治理方法。例如利用太阳能的光催化和利用环境冷热交替的热释电催化技术都在近年来得到了快速发展。但太阳光和持续的温度变化这两个条件无法在全天候实现,因此它们的应用受到了一定程度的限制。而机械能因具有分布广泛,可以克服时间、天气等因素限制的优点而备受关注。压电材料在外界机械力的作用下会在其两侧的表面产生正负电荷,从而诱导氧化还原反应的进行。然而压电催化所需的高频超声在自然界中并不常见,使其在实际应用时无法到达和实验室中相似的性能。相比之下摩擦所需的条件更加温和且在自然界中更为常见。两个物体在经过摩擦后表面会分别带上正电荷和负电荷,摩擦催化则是利用这些电荷引发一系列氧化还原反应。本论文以材料的物理化学性质为基础,筛选并合成了摩擦催化剂,研究在摩擦和催化剂共同作用下降解污染物的性能及其机理。主要研究内容如下:1.以水热法合成的片状钛酸铋(BiTiO)为摩擦催化剂,在聚四氟乙烯(PTFE)磁子搅拌的作用下探究其催化降解罗丹明B(Rh B)的性能。仅在催化剂和搅拌(摩擦)同时存在时Rh B才能得到有效地降解,表明催化剂和摩擦在摩擦催化中均起到了重要作用。连续五次循环后片状BiTiO仍具有较佳的性能证明其循环稳定性。此外,通过测定在不同的染料浓度、搅拌速率、磁子大小、烧杯和磁子材质等条件下片状BiTiO催化降解Rh B的反应速率,探究不同因素对摩擦催化性能的影响。根据片状BiTiO的能带结构以及活性物种捕获实验的结果,得出以下反应机理:在PTFE磁子通过搅拌向催化剂施加摩擦力的过程中,电子(e)从片状BiTiO向PTFE磁子表面转移,同时在催化剂表面留下具有氧化性的空穴(h)。这些h可以直接氧化Rh B,也会与水发生反应生成羟基自由基(·OH),再由·OH参与Rh B的降解过程。2.选择PTFE、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚丙烯(PP)和尼龙-66(PA-66)四种聚合物粒子分别与片状BiTiO组成摩擦对,探究材料摩擦电特性的不同对催化降解Rh B性能的影响。根据添加聚合物的种类以及添加量的筛选实验结果,可得由片状BiTiO和5 mg PP组成的摩擦对具有最佳的催化性能。这一结果由聚合物在摩擦过程中得电子倾向的大小以及有限的摩擦面积两个因素共同决定。由此,继续探究具有最佳性能的摩擦对在不同染料浓度、磁子大小等条件下的催化性能。最后通过活性物种捕获实验可得以下机理:在搅拌过程中,片状BiTiO与PTFE磁子发生摩擦并由此生成h和·OH。与此同时,BiTiO还会与PP粒子相互摩擦,e从片状BiTiO向PP表面转移,在片状BiTiO表面产生h,这些h可与水反应生成·OH。而由PP表面积聚的e和溶解氧反应生成的超氧自由基(·O)也具有氧化Rh B的能力。通过定量实验可知PP的引入使反应过程中·OH和·O的生成量增加,从而加快了Rh B降解的速率。在这些活性物种的共同作用下,Rh B分子的共轭结构被不断破坏,并最终将转化为HO和CO。3.通过水热法合成了蒲公英状、花状、片状以及四面体这四种不同形貌的BiTiO。对催化剂的比表面积和摩擦催化性能之间的关系进行探究。实验结果表明具有最大比表面积的蒲公英状BiTiO具有最佳的催化性能。随后,又分别选取PP、PTFE、PVDF和PA-66与蒲公英状BiTiO组成摩擦对,并对摩擦对中聚合物的种类和加入量进行了筛选。实验结果表明3 mg PTFE与蒲公英状BiTiO组成的摩擦对催化降解Rh B的性能最佳,其反应的动力学常数可达0.68h。活性物种捕获实验的结果表明在蒲公英状BiTiO/PTFE为催化剂的体系中·O、·OH、h以及e在降解反应中均起到了重要作用。·O以及·OH的定量结果表明PTFE的加入使得·O和·OH在相同时间内的生成量增大,从而加快了Rh B的降解速率。

关键词：钛酸铋摩擦电效应摩擦催化污染物降解

可穿戴式压电—摩擦电复合传感器的设计与性能研究

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可穿戴式压电—摩擦电复合传感器的设计与性能研究

作者：周楠楠哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

压电-摩擦电能量转换技术可将机械能转换为电能来为电子元件供能,或者作为自供电传感器使用来检测人体的生理状态。本文应用MEMS工艺中的掺杂和薄膜技术制备了纳米复合电极,利用这种电极设计出检测人体脉搏和步频信号的可穿戴传感器。... 详细信息

压电-摩擦电能量转换技术可将机械能转换为电能来为电子元件供能,或者作为自供电传感器使用来检测人体的生理状态。本文应用MEMS工艺中的掺杂和薄膜技术制备了纳米复合电极,利用这种电极设计出检测人体脉搏和步频信号的可穿戴传感器。本文通过无场、温度场、紫外线场、磁场和复合场等物理场测试和人体穿戴实验对这款传感器的性能进行探究。研究了Polyvinylidene Fluoride(PVDF)材料的压电效应,分析了其压电转换机理,从动力学角度建立了压电悬臂梁的力-电转换模型,利用集中参数法推导了压电梁的机电耦合模型。分析了摩擦发电的产生机理,建立了其等效电容模型,推导了输出电压与摩擦层分离距离之间的机电耦合关系,为可穿戴传感器的设计提供了理论依据。构建了压电悬臂梁和摩擦电单元的有限元模型。以铜为基底材料完成了压电悬臂梁的参数化设计,分析了一阶共振频率下压电梁在各物理场中的输出电压、稳定性、迟滞特性及灵敏度等性能指标;仿真研究了在各物理场条件下摩擦层材料选配、尺寸和摩擦层分离距离对摩擦电单元各性能指标的影响,为复合传感器的设计和应用奠定了基础。基于MEMS制备工艺中的纳米颗粒掺杂和薄膜技术,完成了纳米复合电极的制备,它与PVDF压电材料和Polydimethylsiloxane(PDMS)、Al摩擦电材料组成手环结构复合传感器的压电单元和摩擦电单元。设计了信号处理电路,并对滤波效果、截止频率等进行仿真分析。进行压电悬臂梁的振动频率匹配测试,完成了纳米复合电极试件与通用单Cu箔电极试件的对比实验。实验结果表明,纳米复合电极试件灵敏度为1.4V/g,是单电极试件的1.67倍,稳定性达到了1.93～2.29倍,迟滞误差减少了50%以上,输出性能提升了近两倍。此外,压电单元与信号处理电路结合实现了人体脉搏信号的有效检测。进行了摩擦电单元的性能测试,研究了各物理场下摩擦层材料不同分离距离对其性能指标的影响。实验结果表明,纳米复合电极试件的灵敏度比单电极试件提升了10%～30%,稳定性是单电极试件的1.3～4.54倍,输出性能有了一定的提升,迟滞特性得到了较好的抑制。通过可穿戴实验测试,摩擦电单元实现了对步频信号的有效识别。本文研究的可穿戴式压电-摩擦电复合传感器,采用的纳米颗粒掺杂和薄膜工艺有效地克服了单电极传感器灵敏度较低、稳定性较差、迟滞误差较大、输出电压较低的缺点,提高了传感器的抗干扰能力,为压电及摩擦电机理在可穿戴设备上的应用提供了理论及实验依据。

关键词：能量转换压电效应摩擦电效应可穿戴传感器纳米复合电极

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防护用静电纺纳米纤维膜制备及过滤性能研究

防护用静电纺纳米纤维膜制备及过滤性能研究

作者：康乐内蒙古工业大学

学位级别：硕士

医用防护材料是战胜新冠肺炎疫情的重要防疫物资之一。新冠病毒通过搭载空气中的气溶胶进行传播,导致人体感染。医用防护口罩能有效捕捉颗粒物,阻断病毒传播途径。然而传统医用防护口罩采用聚丙烯熔喷布,过度依赖静电作用。驻极电荷随... 详细信息

医用防护材料是战胜新冠肺炎疫情的重要防疫物资之一。新冠病毒通过搭载空气中的气溶胶进行传播,导致人体感染。医用防护口罩能有效捕捉颗粒物,阻断病毒传播途径。然而传统医用防护口罩采用聚丙烯熔喷布,过度依赖静电作用。驻极电荷随呼吸产生的水蒸气发生衰减,导致口罩过滤效率迅速下降,严重影响使用寿命。另外,口罩大量废弃不仅增加经济负担,同时带来巨大环境压力。基于此,本课题采用静电纺丝方法,制备纳米纤维膜,增强纤维对颗粒物机械捕捉能力,实现医用防护材料的高过滤效率、低过滤阻力和长使用寿命。首先,基于静电纺丝方法,探究纺丝工艺参数对聚偏氟乙烯（PVDF）静电纺纳米纤维膜过滤性能的影响。以过滤效率、过滤阻力、品质因数、透气率为目标值,应用方差分析方法优化纺丝工艺。结果表明,PVDF纤维膜过滤效率稳定高于95%,过滤阻力介于86.67到160Pa,满足防护需求。纺丝工艺对过滤效率影响不显著,对过滤阻力影响显著。品质因数和透气率与过滤阻力呈负相关关系。优化纺丝工艺为:浓度15%、电压27k V、距离22cm和流速2.5m L/h。然后,采用双针共轭静电纺方法,分别制备PTFE/PVA纤维和PVDF纤维,通过在线混合得到PTFE/PVA-PVDF层内共混蓬松纤维膜,进一步提升口罩使寿命。利用扫描电子显微镜（SEM）和傅里叶红外光谱（FTIR）表征纤维膜形貌特征及物质结构。测试分析纤维膜热稳定性、摩擦电性能、初始过滤效率、颗粒物过滤疲劳及透气透湿舒适性。结果表明,静电消除情况下,纤维膜可利用摩擦电效应,能将呼吸产生的机械能转化为电能,恢复静电捕捉作用。循环加载过滤24次,持续过滤144分钟,容纳约120mg Na Cl气溶胶,纤维膜仍保持高效低阻和长效寿命,大幅降低口罩更换带来的经济支出和环境压力。最后,利用无机/有机杂化方式,制备银纳米粒子掺杂PVDF纳米纤维/蛛网,赋予防护用纤维膜抗菌功能。采用X-射线衍射（XRD）、傅里叶红外光谱（FTIR）、能谱分析（EDS）、X-射线光电子能谱（XPS）等表征纤维成分及结构。测定纤维膜热性能、过滤疲劳性能、抑菌率和细菌过滤效率。结果表明,成功检测到银纳米粒子（AgNPs）均匀修饰在PVDF纤维表面,纤维间形成纳米蛛网。颗粒物循环过滤24次,发生阻力失效。纤维膜对金黄色葡萄球菌和大肠杆菌抑菌率超过99%,细菌过滤效率高达96.16%以上。一步法制备AgNPs/PVDF纤维膜,大幅缩短工艺流程,其优异的抗菌功能性在医用领域具有广泛应用前景。

关键词：医用防护口罩静电纺丝技术纳米纤维/蛛网摩擦电效应抗菌性

基于压电—摩擦电复合式宽频带振动能量收集器的设计与实验

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基于压电—摩擦电复合式宽频带振动能量收集器的设计与实验

作者：陈永军重庆大学

学位级别：硕士

近年来,随着新型能量收集器的研究和发展,高效获取与高效转换环境动能为电能,并能宽频带工作、高功率输出成为能量收集技术研究的新方向。如何实现工作频带拓频,又提高能量获取与转换效率,是能量收集器研究的热点。论文针对碰撞限幅拓... 详细信息

近年来,随着新型能量收集器的研究和发展,高效获取与高效转换环境动能为电能,并能宽频带工作、高功率输出成为能量收集技术研究的新方向。如何实现工作频带拓频,又提高能量获取与转换效率,是能量收集器研究的热点。论文针对碰撞限幅拓频存在能量损失,降低了能量收集器的能量获取效率的问题,提出了一种压电-摩擦电复合式宽频带振动能量收集器新结构。在分析器件结构和工作原理的基础上,分析了影响复合式宽频带振动能量收集器输出性能的主要因素,采用ANSYS有限元分析软件完成了器件结构的优化设计;制定了高性能介电PDMS膜和柔性PDMS质量块的制备方案;完成了压电-摩擦电复合式宽频带振动能量收集器的加工与组装;研究了器件的测试方法,搭建了测试平台;完成了压电-摩擦电复合式宽频带振动能量收集器各能量转换单元的测试与分析:样机在3g、24.1Hz外部激励下,频带宽度约为9Hz,压电单元的输出功率为0.9μW,摩擦电单元的输出功率0.287μW,样机总输出功率达到1.187μW,为不限幅振动时压电单元输出功率的90.6%。若限幅结构无摩擦电单元,能量收集器只有压电转换单元,输出功率为0.9μW,为不限幅振动时压电单元输出功率的69.4%。结果表明:论文设计的压电-摩擦电复合式宽频带能量收集器在拓展工作频带的同时,能量获取效率与转换提高了21.2%,提高了器件的能量获取和转换效率。论文的主要工作如下:①分析了基于频带拓展、复合式机理的压电振动能量收集器的国内外研究现状,确定了论文的研究目标和研究内容;②提出了压电-摩擦电复合式宽频带振动能量收集器新结构;研究了复合式宽频带振动能量收集器的工作原理;基于压电悬臂梁的集总参数模型分析了影响压电转换单元输出的主要因素;基于电动力学的相关理论分析了影响接触-分离式摩擦电转换单元输出的主要因素;③采用ANSYS有限元仿真软件,分析了结构尺寸参数对输出性能的影响,确定了优化思路,完成了器件的结构优化设计,分析了不同限幅高度对器件输出性能的影响;④设计并制作了限幅拓频结构,制定了高性能介电PDMS膜和柔性PDMS质量块的制备方法,完成了压电-摩擦电复合式宽频带振动能量收集器的设计、加工和组装;⑤研究了器件的测试方法,搭建了相应的测试平台;完成了器件在碰撞限幅前和碰撞限幅后的性能测试与分析。测试结果表明:样机在3g、24.1Hz外部激励下,频带宽度约为9Hz;压电转换单元的最大输出功率为0.9μW,摩擦电转换单元的最大输出功率为0.287μW,限幅结构加入摩擦电单元比无摩擦电单元的能量获取效率提高21.2%,该器件既实现压电与摩擦电两种俘能机理转换,又实现了振动频带拓展。

关键词：复合式宽频带振动能量收集器压电效应摩擦电效应频带拓展能量获取与能量转换

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基于水能量采集的微型发电机的研究

基于水能量采集的微型发电机的研究

作者：邱国林郑州大学

学位级别：硕士

近年来,随着人类社会经济的飞速发展,随之而来的能源危机、环境污染等问题已日益成为社会进一步发展的巨大挑战。为应对这些挑战,研究者已从宏观和微观领域对此类问题展开了大量的科学研究。基于不同的物理效应,研究者提出了许多解决思... 详细信息

近年来,随着人类社会经济的飞速发展,随之而来的能源危机、环境污染等问题已日益成为社会进一步发展的巨大挑战。为应对这些挑战,研究者已从宏观和微观领域对此类问题展开了大量的科学研究。基于不同的物理效应,研究者提出了许多解决思路,其中基于热释电效应和摩擦电效应的新型能量采集系统也得到了广泛的研究。本文重点研究了基于PVDF的微型热释发电机和基于热释电效应和摩擦电效应复合的微型发电机的基本原理、结构设计、有限元仿真和性能实验,主要研究工作如下:1.分析了当前解决能源问题的各种途径及其国内外研究现状,从宏观和微观角度对当前主要解决方法的优缺点进行了比较,为采用热释电和摩擦电效应设计微型发电机提供了借鉴意义。2.分析了热释电和摩擦电效应的原理,探讨了热释电和摩擦电效应在能量采集方面的应用,为设计微型发电机奠定了初步的理论基础。3.设计了一种基于PVDF热释电效应的微型发电机。根据热释电效应和常见热释电材料的特点,选定PVDF材料作为微型发电机的材料;根据热释电效应的特点,结合工艺要求,完成了基于PVDF热释电效应的微型发电机的结构设计和相关能量采集电路设计。4.采用COMSOL Multiphsics有限元仿真软件对微型热释电发电机进行了有限元分析。对所设计的微型热释电发电机的性能进行了仿真,从理论上验证了微型热释电发电机的可行性。5.设计并搭建了微型热释电发电机的相关测试实验平台,完成了微型热释电发电机的性能测试,从实验角度,验证了微型热释电发电机的可行性。6.初步完成了一种基于热释电和摩擦电复合微型发电机的相关研究。针对热释电发电机和摩擦电发电机的优缺点,提出了基于热释电和摩擦电复合微型发电机的构想;完成了复合微型发电机的材料选择;结合工艺要求,完成了复合微型发电机的结构设计;完成了复合微型发电机实验平台的搭建,并进行了复合微型发电机的性能测试实验;实验验证了基于热释电和摩擦电复合的微型发电机的可行性,为复合微型发电机的发展提供了有价值的参考。

关键词：微型发电机 PVDF 热释电效应摩擦电效应有限元分析