不同流體誘導石墨烯等半導體產生電壓的原理及套用

《不同流體誘導石墨烯等半導體產生電壓的原理及套用》是依託南京航空航天大學，由李鵬擔任項目負責人的青年科學基金項目。

基本介紹

• 中文名：不同流體誘導石墨烯等半導體產生電壓的原理及套用
• 項目類別：青年科學基金項目
• 項目負責人：李鵬
• 依託單位：南京航空航天大學

項目摘要

石墨烯是近年來發現的由單層碳原子通過共價鍵結合而成的具有六方對稱的理想二維晶體。當流體流過石墨烯層時，在伯努利原理和塞貝克效應的共同作用下，會在石墨烯層兩端產生一定的電壓。國際上針對該領域的研究較少，且沒有關於不同流體介質誘導石墨烯產生電壓的共同特性的研究。本項目以我們最近開展的氣流誘導石墨烯和矽基片產生電壓效應的研究為基礎，從流體力學基本原理出發，開展不同流體介質誘導石墨烯等半導體材料產生電壓的共同特性的研究；揭示流體誘導石墨烯等半導體材料產生電壓的物理機制；建立誘導電壓與流體物理量相關聯的物理模型；通過物理模型探尋各物理量的數學關係；利用流體實驗驗證物理模型的正確性；並在物理模型的預測和指導下，設計可用於流速測量的功能器件。

結題摘要

長久以來,如果利用流體產生電壓或電流，就要需要消耗一定的壓力勢能，主要是壓力勢能轉化成機械動能，機械動能通過電磁轉化產生電壓。隨著新材料的出現，特別是石墨烯為新近出現的由單層數的碳原子，通過共價鍵結合，有六面方形對稱的完美二維晶體結構。當氣體或液體流過石墨烯層面時，在一定相關原理的作用下，會在石墨烯材料片層兩端製造出一定的電動勢。表面上看起來是運動流體的動能轉化為電能，而實際上是流速在石墨烯片層位置發生變化，引起壓力變化，進而引起溫度變化，進而作用石墨烯片層產生出電動勢。國際目前針對該方向的研究很少，且沒有特別關於不同介質誘導石墨烯製造出電動勢的共同性質規律的研究。報告以項目組新近開展的不同氣體、液滴、兩相混合流誘導石墨烯或矽基片製造出電壓效應的實驗結果為基礎。開展了不同氣體誘導石墨烯和矽基片產生電壓的流動實驗，並研究了電壓產生的條件和規律，也確定了不同氣體的流速與誘導電壓的線性關係。開展了不同液滴誘導石墨烯產生電壓的實驗，並確定了液滴流速與石墨烯產生電壓的關係規律。依據不同的氣體介質誘導石墨烯、矽基片等半導體材料產生電壓的流動實驗數據結果，從流體力學伯努利原理出發，並結合材料的塞貝克效應，建立了誘導電壓與流動介質的密度、速度等相關聯的物理量模型。在統一了不同氣體介質誘導石墨烯等半導體材料產生電壓的數學模型的基礎上，設計了流體表面摩擦力測量器件，並論述了氣體與液體介質產生電壓的不同原理。為進一步提升流體誘導石墨烯產生電壓的特性，提出了採用氣體液體共同作用誘導石墨烯產生電壓的方法，可以較大的提升流體誘導石墨烯產生電壓的特性。項目針對不同氣體介質誘導石墨烯產生電壓，從統一數學模型方向和測量熱力場分布等方面進行研究，即氣體流動過程中的動能轉換為壓力能和熱能，壓力能無損耗，而熱能一部分損耗，一部分通過石墨烯片層轉換為電能，對認識氣體誘導石墨烯生電的本質有啟發作用。項目通過誘導生電，在流體流速測量和流動壁面摩擦力測量的器件設計和原理探討方面，可實現無源無能耗的流動測量，為拓寬石墨烯生電的套用研究提供了新思路。含液滴氣流的兩相流能夠較大幅度的提升石墨烯誘導生電的性能，為能源的提取和利用，提供了新的可能。