基于摩擦发电机的低频水波能收集技术研究
徐州一中综合实践活动（研究性学习）
课题实施方案申报表
基于摩擦发电机的低频水波能收集技术研究 |
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课 题 组 成 员 及 有 关 情 况 |
姓名 |
性别 |
班级 |
组内职务 |
组内分工 |
叶苏瑶 |
女 |
高一14 |
项目经理与协调员 |
负责制定计划、分配任务、主持讨论、对接导师、控制进度、整合最终报告和答辩。 |
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魏瑜泽 |
女 |
高一14 |
首席研究员 |
负责核心理论与文献研究，深入研究摩擦发电TENG原理、水波能特点，撰写理论框架与研究背景。 |
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陈欣悦 |
女 |
高一14 |
媒体与档案官 |
负责全过程记录、拍照、录像、制作结题PPT展板、视频，撰写和整理所有过程文档管理资料。 |
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王一如 |
女 |
高一14 |
首席研究员 |
负责核心理论与文献研究，深入研究摩擦发电TENG原理、水波能特点，撰写理论框架与研究背景。 |
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花睿阳 |
男 |
高一14 |
模拟与设计师 |
负责收集国内外类似研究数据，进行对比分析，设计测算表格，进行简单的效率理论计算和可行性分析。 |
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郭启帆 |
男 |
高一14 |
表格打印员 |
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丁柏暄 |
男 |
高一14 |
表格打印员 |
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独子润 |
男 |
高一14 |
表格打印员 |
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张宝嫱 |
女 |
高一14 |
表格打印员 |
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董知然 |
男 |
高一14 |
表格打印员 |
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课 题 研 究 的 目 的 及 主 要 内 容 |
水波能是一种总量巨大、清洁的可再生能源，但自然界中的水波属于低频无序的随机振动，传统的电磁发电机无法有效收集其机械能。近年来诞生的摩擦发电技术，其输出电压不随运动频率变化，非常适用于收集低频机械能。本项目拟开展基于摩擦发电机的低频水波能收集技术研究，目标设计制备高性能摩擦发电机单元器件，探索掌握摩擦发电机输出特性规律，最终完成水波驱动能量收集应用演示。内容上将从摩擦起电和静电感应机理、电学输出特性和能量转换效率、水波能量收集应用演示等三个方面开展系统研究。 |
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研 究 假 设 |
本项目拟将通过优化摩擦发电机的摩擦材料（如采用高导电性、耐腐蚀性的纳米复合摩擦层）与结构设计（如多层三维立体结构及多向响应单元），并结合多级阵列耦合与定制化能量管理电路，可显著提升低频水波能收集系统的输出性能（包括输出功率、能量转换效率）与环境适应性（耐久性、多工况稳定性），最终实现水波驱动下稳定、高效的能量收集与应用演示，具体如下： （1）材料优化假设：采用纳米复合摩擦材料（如聚合物基体中掺杂碳纳米管或金属颗粒）作为摩擦层，相较于传统单一聚合物材料，可同时提升器件的电荷转移效率（降低接触电阻）与环境耐受性（抗盐雾腐蚀、耐水流冲刷），使器件在水波环境中的输出电压提升≥30%，使用寿命延长≥2倍。 （2）结构设计假设：设计多层三维立体摩擦发电机结构（如垂直堆叠的摩擦单元与波浪形弹性支撑层），可通过捕获水波的多向机械能（垂向、横向振动）并增加有效接触面积，使单器件在低频（≤1Hz）、小振幅（≤5cm）水波激励下的输出功率密度从当前的≤0.5W/m²提升至≥1.2W/m²。 （3）系统集成假：通过多级阵列化布局（如阵列单元按正交方向排列），可将离散的摩擦发电机单元输出高效耦合，使系统在真实海况（波高0.5-2 m、周期3-10 s）下的总输出功率稳定性（波动范围≤±15%）满足海洋浮标等低功耗设备的供电需求（≥5V/100mA持续输出）。 |
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研 究 方 法 |
1. 摩擦起电与静电感应耦合机理的微观解析方法 通过更换不同摩擦材料（如PTFE、PDMS、尼龙、聚酰亚胺等），揭示水波激励下摩擦发电机界面电荷转移的动态规律，明确摩擦材料特性（如表面能、粗糙度）与激励参数（如波高、频率）对电荷产生效率的影响机制。 2. 电学输出特性与能量转换效率的量化评估方法 通过对比法拉第电磁感应定律，系统量化摩擦发电机在不同水波条件下的电学输出特性（电压、电流、功率密度），计算能量转换效率η=输出电能/输入机械能，并分析负载匹配对效率的影响规律，揭示能量转换效率（机械能→电能）的关键限制因素并提出优化策略。 3. 水波能量收集应用演示的原型机验证与优化方法 搭建缩比波浪水槽，通过实验室模拟真实海域测试，模拟典型海域海况（如波高、周期、盐度），将摩擦发电机单元固定于浮式平台，验证摩擦发电机水波能收集系统的长期运行可靠性与环境适应性，形成可演示的原型机方案。 |
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研 究 步 骤 （各 阶 段 的 主 要 内 容 和 时 间 安 排） |
第一阶段：文献调研与方案设计 (第1-4周) · 目标：确立研究方向的理论基础和技术路线，提出创新点。 · 主要内容： · 深度文献调研：阅读至少20-30篇高质量的最新相关论文，重点理解： · 不同的TENG模式（接触分离、独立层等）在水波能中的应用。 · 各种机械结构（球壳、摆锤、浮子-连杆）的优缺点。 · 封装策略和防水技术。 · 当前领域尚未解决的挑战（这就是你创新点的来源）。 · 确定研究方案： · 选择TENG模式（推荐独立层模式）。 · 绘制详细的机械结构设计草图 · 确定摩擦材料对（如FEP vs. 尼龙）、电极和基底材料。 · 设计初步的封装方案。 第二阶段：仿真优化与材料准备 (第5-7周) · 目标：通过仿真验证设计可行性，优化关键参数，并采购所有材料。 · 主要内容： · 建模仿真（可选但强烈推荐）： · 使用COMSOL 等软件进行静电-结构力学耦合仿真。 · 模拟独立层在水波激励下的运动模式。 · 进行参数化扫描，优化电极间距、独立层质量等关键参数。 · 物料采购 第三阶段：原型制备与性能测试 (第8-12周) · 目标：制作出第一个工作原型，并在实验室环境下验证其基本发电性能。 · 主要内容： · 表面处理：对摩擦材料进行微纳加工（如砂纸打磨、激光刻蚀）以增加表面积。 · 加工与组装： · 加工外壳和结构件（3D打印、激光切割）。 · 精确切割、粘贴电极和摩擦层。 · 完成第一个原型机的组装。 第四阶段：封装与环境耐久性测试 (第13-18周) - 【关键阶段】 · 目标：测试并优化封装方案，确保原型机在真实水环境下的长期稳定性。 · 主要内容： · 封装实施：采用设计好的多层方案（如内层FEP、中层PDMS灌封、外层硬壳）对优化后的原型进行严格封装。 · 实验室环境测试： · 短期浸泡：将封装后的样品浸入盐水中，测试其短期（1-7天）性能是否衰减。 · 机械耐久性：在水槽中进行长时间波浪模拟，测试结构疲劳。 · 实地测试 第五阶段：系统集成与应用演示 (第19-21周) · 目标：将TENG收集的能量有效利用起来，完成一个完整的应用演示。 · 主要内容： · 设计能量管理电路：搭建或使用现成的整流+电源管理电路（如基于LTC3588芯片），高效地将TENG的脉冲交流电转换为稳定的直流电，并为储能元件（超级电容）充电。 · 驱动负载：设计一个简单的控制电路，当超级电容电压达到一定值时，自动为终端设备（如温湿度传感器、LED灯、无线发射模块）供电。 · 录制演示视频：展示整个系统从“水波能收集 → 储能 → 驱动设备”的全过程。这是最终成果最直观的体现。 第六阶段：数据分析与论文撰写 (第22-24周) · 目标：总结全部工作，形成研究成果。 · 主要内容： · 数据整理：将所有实验数据（电压、电流、功率、环境数据）整理成图表（曲线图、柱状图）。 · 分析讨论：分析性能趋势，解释现象背后的物理机理，将你的结果与文献中的进行对比，突出你的创新和优势。 · 撰写研究报告/论文： · 摘要：概括全文。 · 引言：介绍背景和研究意义。 · 实验部分：详细描述材料、方法、制备过程，确保可重复性。 · 结果与讨论：核心部分，展示数据并进行分析。 · 结论：制作PPT,总结研究成果并展望未来。 |
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成 果 形 式 |
1. 科技制作：完成摩擦发电机单元设计制备 2. 实验报告：建立摩擦发电机水波能收集的“输入-输出-效率”定量关系数据库 3. 实物展示：完成可实际应用的水波能收集原型机系统 |
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论 证 小 组 意 见 |
论证人签名： 年 月 日 |
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徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表
课题名称：基于摩擦发电机的低频水波能收集技术研究 |
编号： |
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指导教师：赵娟 |
班级：高一14 |
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活动时间：2025.5.16 |
活动地点：图书馆 |
第 1 次 |
参加活动成员 |
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组内成员: 叶苏瑶、魏瑜泽、陈欣悦、王一如、花睿阳 |
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组外成员:郭启帆、丁柏暄、独子润、张宝嫱 |
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活动内容 |
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1）活动目的：（解决什么问题） 采用哪种模式的TENG？（接触分离式、滑动式、单电极式、独立层式？）哪种模式最适合低频、大振幅、随机方向的水波激励？ 2）活动形式：（小组讨论、试验、查阅资料、调查、实地测量） 小组讨论、查阅资料、调查 3）活动过程： 1、从低频、大振幅、随机方向等这几个方面了解水波能的关键特性； 2、逐一评估每种模式的特性与水波特性的匹配度 4）活动结果：（得到什么结论、解决哪些问题、是否完成预定目标和计划、出现的新问题） 接触分离式 (CS Mode) 两个介质层在垂直方向发生周期性接触和分离。 结构简单，输出效率高，易于封装。 对运动方向敏感，通常需要精确的垂直激励，难以利用水平方向的能量。 如果水波只有纯粹的上下运动，它是优秀的，但无法有效捕获随机方向的能量，适用性大打折扣。 滑动式 (LS Mode) 两个介质层发生平面内的相对滑动，可实现较高的电荷转移。 摩擦损耗巨大，对器件磨损严重，寿命短，需要特定的滑动方向， 巨大的摩擦磨损在恶劣的水波环境中是致命的，且同样对运动方向要求苛刻。 单电极式 (SE Mode) 一个电极作为参考电极，另一个摩擦层靠近或远离它，结构简单，适合收集移动物体的能量（如人行走）。 输出较低，易受环境电磁干扰， 可以作为 sensing，但作为能量收集器效率太低，难以满足为电子设备供电的需求。水波环境干扰强，进一步降低其可靠性。 独立层模式 (FT Mode) 一个带电的独立层（如介质薄膜）在两个对称的固定电极之间来回运动。 对运动方向不敏感（上下、左右、斜向均可触发），磨损极小（非接触式），输出高且稳定，易于封装， 需要设计结构让独立层能自由运动。，完美匹配，独立层可以被封装在一个密闭盒子中，盒子随水波任意方向晃动，内部的独立层因惯性会与上下电极发生相对运动，从而发电。直接利用了水波的随机性和大振幅。 最终选择：独立层模式（FT Mode），选定模式后，研究重点应转向： 1. 优化独立层：研究不同形状（球体、立方体、片状）、不同质量、不同表面材料（PTFE, FEP, PDMS）的独立层对输出性能的影响。 2. 优化电极设计：电极的形状、大小、间距如何影响电容和输出。 3. 封装与工程化：如何设计外壳结构使其既能随波逐流，又能最大化内部独立层的运动幅度。 4. 能量管理电路：为这种随机、脉冲式的发电特性设计专用的高效能量收集电路。 记录者: 王一如 |
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注：1、由课题组长指派专人负责填写，备追踪课题研究过程时使用。
2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。
徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表
课题名称：基于摩擦发电机的低频水波能收集技术研究 |
编号： |
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指导教师：赵娟 |
班级：高一14 |
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活动时间：2025.6.15 |
活动地点：实验室 |
第 2 次 |
参加活动成员 |
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组内成员: 叶苏瑶、魏喻泽、陈欣悦、王一如、花睿阳 |
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组外成员:郭启帆、丁柏暄、独子润、张宝嫱 |
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活动内容 |
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1）活动目的：（解决什么问题） 如何对TENG进行有效封装，使其能长期在潮湿、腐蚀性（盐水）、生物附着（海藻、贝类）的水体环境中稳定工作？如何防止短路和性能衰减？ 2）活动形式：（小组讨论、试验、查阅资料、调查、实地测量） 小组讨论、查阅资料、调查、实验 3）活动过程： 1. 预处理： · 对TENG的所有摩擦部件进行表面微纳结构处理或化学改性。 · 将制作好的电极、摩擦层等部件在真空烘箱（如80°C） 中烘干24小时以上。 2. 内层封装： · 将独立的摩擦层（如FEP球）用FEP薄膜轻微包裹（如果可能），或确保其纯净。 · 在电极表面旋涂一层极薄的PDMS或FEP溶液，形成纳米级保护层。 3. 组装与灌封： · 将部件放入设计好的透明硬质亚克力外壳中。 · 通过注胶孔将脱泡处理后的PDMS预聚体缓慢注入外壳内，直至完全浸没所有内部元件。 · 将其放入真空干燥器中抽真空，去除内部气泡。 4. 最终密封： · PDMS常温或加热固化。 · 在引线出口处点涂环氧树脂胶进行密封。 · （可选）在壳体内部预留一个小空腔，放入微型干燥剂，然后用盖板密封。 5. 外层处理： · 对整个外壳的最外表面进行抛光至非常光滑，或涂覆防污涂料 4）活动结果：（得到什么结论、解决哪些问题、是否完成预定目标和计划、出现的新问题） 通过这种多层次、系统性的封装方案，才能最大限度地保证你的TENG水波能收集装置在严酷的海洋环境中长期稳定工作，抵御潮湿、腐蚀和生物附着的威胁，防止性能衰减和短路。 记录者: 王一如 |
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注：1、由课题组长指派专人负责填写，备追踪课题研究过程时使用。
2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。
徐州一中综合实践活动（研究性学习）记录表
课题名称：基于摩擦发电机的低频水波能收集技术研究 |
编号： |
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指导教师：赵娟 |
班级：高一（14） |
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活动时间：2025年6月17日 |
活动地点： |
第 3 次 |
参加活动成员 |
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组内成员: 叶苏瑶、魏瑜泽、陈欣悦、王一如、花睿阳 |
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组外成员:郭启帆、丁柏暄、独子润、张宝嫱、董知然 |
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活动内容 |
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1）活动目的：（解决什么问题） 收集的电能能否实际驱动终端设备 2）活动形式：（小组讨论、试验、查阅资料、调查、实地测量） 小组讨论、查阅资料 3）活动过程： 能量管理电路（EMC）的设计与集成： 由于TENG输出为高压、低频、脉冲式的交流电，无法直接为电子设备供电。我们设计或选用一款高效的能量管理电路。该电路核心功能包括：交流-直流整流、阻抗匹配、电压转换（降压至标准3.3V或5V DC）以及最大功率点跟踪（MPPT）。将TENG的输出端与EMC的输入端连接，使用示波器监测EMC输入和输出端的波形，确保其工作正常，效率达到预期。 2. 构建演示系统： · 搭建完整的能量流系统：TENG单元 → 能量管理电路 → 储能单元（1F/5.5V 超级电容） → 终端负载。 终端负载选择： 低功耗LED灯： 作为最直观的演示。观察在特定波浪下，需要多长时间的能量收集可以点亮LED，并能持续发光多久。温湿度传感器与无线发射模块（如LoRa或蓝牙）： 这是更具实际意义的验证。编写程序让传感器每隔1分钟采集一次环境数据，并通过无线信号发送出去。用手机或接收器成功接收到数据包，是证明系统“自供能”成功的关键标志。GPS定位器： 模拟海洋浮标应用，测试其能否间歇性启动并发送位置信息。 3. 验证与记录： 记录超级电容从0V充电至设备启动电压所需的时间（充电时间）。 记录设备完成一次完整工作（如发送一次数据）后，电容器电压的下降值，评估单次工作的能耗。 全程录像，记录传感器数据成功发送的瞬间，作为系统成功运行的直接证据。 4）活动结果：（得到什么结论、解决哪些问题、是否完成预定目标和计划、出现的新问题） 构建了一个完整的演示系统。TENG水波发电装置 → 能量管理电路 → 储能超级电容 → 自供能的温湿度传感器、GPS定位器或LED灯。实现“收集-存储-使用”的全链条验证。 记录者: 魏瑜泽 |
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注：1、由课题组长指派专人负责填写，备追踪课题研究过程时使用。
2、本表一式三份，交由年级处、指导教师、课题组长存档。
徐州一中综合实践活动（研究性学习）课题研究成果报告
徐州一中研究性学习结题评价表
课题名称 |
基于摩擦发电机的低频水波能收集技术研究 |
编号： |
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课题组成员 |
组长：叶苏瑶 |
组员： 魏瑜泽、陈欣悦、王一如、花睿阳、郭启帆、丁柏暄、独子润、张宝嫱、董知然 |
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指导教师 |
赵娟 |
班级：高一（14） |
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评价内容 |
满分 |
得分 |
备注 |
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开题评价 （20分） |
开题报告 |
10分 |
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计划制定 |
10分 |
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过程评价 （50分） |
态度 |
10分 |
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合作 |
20分 |
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调查访谈或实验记录 |
10分 |
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研究日记及体会 |
10分 |
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结题评价 （30分） |
形式： 1、文字 2、版式 3、文献 |
10分 |
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内容： 1、完整性 2、创新性 3、研究价值 4、展示效果 |
20分 |
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指导教师评语 ： 签章： |
课题评审组意见： 签章： |
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总分 |
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学 校： 徐州市第一中学
班 级： 高一（14）班
组 长： 叶 苏 瑶
组 员： 魏瑜泽、陈欣悦、王一如、花睿阳
指导教师： 赵 娟
徐州市第一中学
二零二五年六月
基于摩擦发电机的低频波浪能收集技术研究
一、目的要求
（1）了解摩擦纳米发电机的发展概况、工作模式和工作原理。
（2）掌握接触分离式摩擦纳米发电机的制备方法及测试方法。
（3）掌握表面纳米微结构对摩擦发电输出的影响规律。
（4）掌握摩擦纳米发电机的电路接入和表征演示方法。
二、实验背景与原理
随着柔性电子器件和智能可穿戴产品的蓬勃发展，柔性电子设备如智能手表、运动手环等，受到越来越多的关注，已表现出替代传统电子产品的巨大潜力，但是可穿戴电子器件发展遇到的一个重要挑战是这些器件都必须要配套电源或电池才可以正常工作。尽管可穿戴电子产品的能量消耗逐渐降低、电池的能量输出逐渐提高，但其续航时间仍较短，由此带来电池的频繁充电和更换等问题，无疑使它们在实际应用过程受到一定限制。解决该问题的常规策略是将轻便高效的能量收集器件与高能量的存储装置直接集成到可穿戴电子系统中，组成一个自充电系统等，目前应用最广泛的就是将光伏太阳能电池模块和超级电容器或锂离子电池等结合。然而，传统的光伏电池工作状态取决于天气等外界条件，其间歇性和不可预测性决定其并不总是可用的。如何利用不同的工作机制从环境中收集能量以替代和补偿太阳能不足部分的需求是迫切的。试想，如果可以收集人体运动过程中的机械能，将其转化为电能直接为可穿戴电子设备提供持续电能，上述问题则迎刃而解[1]。
2012年，美国佐治亚理工学院Zhong Lin Wang教授课题组利用摩擦起电和静电感应的耦合作用发明了一种能将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）[2]。自诞生起，TENG在理论和应用领域均发展迅猛，目前已提出四种基本工作模式，分别是接触分离式、平面滑移式、单电极式和自由摩擦层式，如图4-14-1所示。因其使用最简单的高分子聚合物材料，具有质量轻、体积小、结构简单、集成度高、用材便宜、可收集运动模式多样等特点，通过单独或组合应用，可以广泛的从众多不规则机械能活动中收集能量，为其广泛应用提供了结构基础；随着材料和结构的优化，TENG的电荷密度和功率密度均大幅提升，截至2023年底，其短路电荷密度突破4.0 mC m-2，平均功率密度突破60 μW g-1和150 μW cm-3，为其应用提供了输出基础；通过对比研究TENG和电磁感应发电机在不同工作频率下的输出特性差别，发现其输出功率仅与机械运动频率f成正比，在单位质量或体积或面积条件下，介于人体运动频率范围0.1~2 Hz之间时，电磁感应发电机的输出功率远小于TENG，为其应用提供了完整的理论基础[3]。上述的研究基础，揭示了TENG用于机械能量收集的独特优势。
图4-14-1 摩擦纳米发电机工作模式
我们以接触分离式摩擦纳米发电机为例解释其工作原理，此处选用尼龙（Nylon）和聚四氟乙烯（PTFE）两种在俘获电荷能力方面有较大的差异的聚合物材料，二者背面均镀有片状电极层，如图4-14-2所示，其中σ0为摩擦电荷密度，s为接触面积，ε0、ε1和ε2分别是真空、PTFE和Nylon的介电常数，d1和d2是两种摩擦材料的厚度。在没有压力的条件下，两种聚合物材料保留自由存在的空隙（初始状态）；在外力作用下，两种摩擦材料发生物理接触，因摩擦起电效应，PTFE的表面电荷转移至Nylon，使得PTFE表面密布正电荷，而Nylon表面富含负电荷，因摩擦材料绝缘，摩擦电荷不会流走而是保持在绝缘材料的表面上（压下状态）；当外力释放时，PTFE开始返回，此时在两种材料之间产生电势差，当PTFE完全返回至出初始位置，电势差达到最大，此时我们称作开路电压（Voc）（分离过程）；当作用力立刻加上，电势差又会随着间隔距离的减小而降低（下压过程），直到两种摩擦材料完全接触时，电势差降为0。在两个电极相对运动的过程中，相反的摩擦电荷在两个摩擦面之间产生一个电场，从而在两个电极之间形成一个电势差，为了屏蔽这个电势差，电子就会被驱动着经过外电路从一个电极流到另一个电极，从而产生一个电流信号。在周期性的距离变化过程中，交变电流信号将会持续产生。当完全释放时，二者回复到原始位置时，可获得最大感应电荷密度（σmax）；当二者完全接触时获得最大的电流，我们称为短路电流（Isc）。
图4-14-2 接触分离式摩擦纳米发电机工作原理
时至今日，摩擦纳米发电机的各项性能指标仍在提升，可以广泛的从人类活动、轮胎转动、海浪、机械振动等众多不规则机械能活动中收集能量，有着巨大的实用潜力，展现出良好的商用前景。该技术也入选了中国工程院发布的《全球工程前沿2022》报告中10项研究前沿方向。目前，摩擦纳米发电机可以预想的主要有三大应用领域：第一大领域是作为可持续电源，为有源电子器件传感网络供电，或是作为移动能源，也就是为可穿戴智能设备供电；第二个应用领域是自驱动系统传感，包括健康监测、物联网、环境监测方面等；第三大领域则较为长远，利用大能源发电，如风能、海洋能等，规模收集和转化自然界中机械能的潜力，有望成为绿色能源供给的全新途径。摩擦纳米发电机的诞生，被国内外各界一致评为与手机同等重要的发明，认为其将是影响未来十到三十年的十大重要技术之一，开辟了能源转化和应用的新范畴。
三、仪器与试剂
（1）主要材料：聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚四氟乙烯膜（PTFE）、抛光硅片、DVD光盘、去离子水、导电铝箔、聚酰亚胺膜（Kapton）、Kapton胶带（单面和双面）、漆包全铜线、LED灯泡、面包板。
（2）所需耗材：镊子、剪刀、刀片、手套、口罩、无尘纸。
（3）主要仪器设备：万用表、电热鼓风干燥箱、线性电机（Linear Motor）、数字源表（Keithley 6514）和数据采集卡（NI DAQ PCI express-6259）。
四、实验步骤
（1）材料准备：用乙醇擦拭DVD光盘和硅片，烘干后待用。
（2）摩擦材料制备：将PDMS与固化剂以质量比10:1搅拌混合均匀，分别涂覆到抛光硅片和DVD光盘刻录面，分散均匀后放入60oC烘箱，干燥10 min后将固化膜剥离，利用纳米压印技术制备表面微纳结构，获得光面/具有微栅结构的PDMS/有机硅橡胶膜，利用光学显微镜和SEM对其表面结构进行表征；
（3）器件制备：在2片3×6 cm2大小Kapton膜中间部分粘贴3×3 cm2大小Kapton双面胶带，分别粘贴相同面积大小导电铝箔，利用导电银浆连出导线，在其中一片的铝箔上再次粘贴PTFE膜、光面PDMS、表面微结构PDMS，将两片Kapton膜构成拱形结构固定，得到四个不同器件；
（4）器件驱动：将制备的四个摩擦纳米发电机分别固定于激振器上，在不同工作频率下（0.5 Hz、1 Hz和2 Hz）驱动器件；
（5）数据测试：通过Keithley 6514和NI 6259数据采集卡，经Labview软件对器件的输出特性进行测试，包括开路电压（Voc）、短路电流（Isc）和转移电荷量（Qtr）；
（6）选择输出最好的器件，通过外接电阻箱测试其负载电压（VLoad）和负载电流输出特性（ILoad）；
（7）结果展示：选择输出最好的器件，将其与若干串联LED连接，通过驱动摩擦纳米发电机点亮LED。
五、注意事项
（1）根据本实验器件制备要求，建议PDMS与固化剂的质量比选择5g : 0.5g。
（2）在制备摩擦层时，表面要尽量平整，减少气泡和褶皱。
（3）在制作电极层时，其面积要在一个朝向上大于衬底面积，以便折至衬底方面连接导线。
（4）在器件连接LED展示时，如LED不亮，可调整正负电极连接顺序。
六、结果分析与数据处理
图4-14-3 接触分离式摩擦纳米发电机结构示意图及实物图
图4-13-3是本实验所制备的接触分离式摩擦纳米发电机结构示意图及实物图。从图中可以看出，该器件由亚克力板作为衬底，由Kapton膜作为支撑弹性体，由一组摩擦材料和电极材料构成。基于纳米压印法制备的PDMS摩擦材料形成了沟道宽度为1 μm的阵列微纳结构。通过更换摩擦材料，可以构建不同的摩擦电器件，通过按压-释放器件，可以实现的接触-分离工作。
图4-14-4 基于PTFE的接触分离式摩擦纳米发电机在不同工作频率下电学输出
图4-14-4是基于PTFE材料的的接触分离式摩擦纳米发电机在不同工作频率下电学输出。从图中可以看出，开路电压（Voc）和转移电荷量（Qtr）不随频率的变化而变化，稳定在25 V和7 nC，短路电流（Isc）随频率的增大而增大，频率由0.5 Hz增加至2 Hz，Isc由0.5 μA增加至1.5 μA。其原因是摩擦纳米发电机的Voc决定于其结构，频率对其输出无影响，Qtr由摩擦材料的性质决定，也不受频率影响，而Isc是单位时间内通过的电荷量，故随着频率的增加，其单位时间内通过的电荷量变大，从而Isc输出增大。
图4-14-5 不同材料接触分离式摩擦纳米发电机在相同频率下转移电荷量对比
图4-14-5是不同材料接触分离式摩擦纳米发电机在相同频率下转移电荷量对比图。从图中可以看出，PDMS膜、PTFE膜和Kapton膜三种不同摩擦材料在1 Hz条件下的转移电荷量有明显差别，其中QPDMS最高，可达15 nC，QKapton膜最低，仅为4 nC，其原因是不同材料对表面自由电子的束缚能力不同，在摩擦起电过程中，PDMS相较于PTFE和Kapton更容易得到电子，从而在电学测试中表现出更高的转移电荷量，由此我们可以得到三种材料的摩擦起电序列PDMS＞PTFE＞Kapton。而通过对比光面PDMS和表面微结构PDMS膜在1 Hz条件下的转移电荷量可以发现，具有表面微结构的PDMS膜输出可达25 nC，说明表面微结构可提升有效摩擦起电接触面积，提升转移电荷量。
图4-14-6 基于PTFE的接触分离式摩擦纳米发电机峰值功率密度
图4-14-6是基于PTFE的接触分离式摩擦纳米发电机峰值功率密度曲线。通过在电路中串联可调变阻箱，记录不同电阻值对应的短路电流，根据P=I2·R计算摩擦纳米发电机器件在不同频率条件下的峰值输出功率，除以面积S即可得功率密度。从图中可以看出，随着频率的增加，峰值功率密度不断增大，内阻不断降低，在2 Hz时可达18.3 mW/m2，对应内阻为100 MΩ。
【摘要】主要介绍了一种具有循迹、超声波和红外测距以及自动追踪功能的小车和该车各种功能的测试。该车以两块亚克力板为车体，直流电机及其控制系统为驱动部分，Arduino UNO开发板为该系统的控制核心。在车上装上反射式光电传感器或超声波传感器、红外传感器，并且上传对应的代码后，即可实现实循迹或自动避障功能。利用手机上的 openbot 软件，该车还可以自动跟随人行驶。经过实验，该车的各项功能均可实现，同时也存在一些问题待改进。
参考书目及资料： 【1】王中林、林龙、陈俊、牛思淼、訾云龙，摩擦纳米发电机[M]，科学出版社，2017 【2】王中林、杨亚、翟俊宜、王杰等，摩擦纳米发电机理论与技术（第3卷）蓝色能源与环境[M]，科学出版社，2025 【3】王中林、程廷海等，摩擦纳米发电机在工程技术中的应用[M]，科学出版社，2025 |
