一、引言

1.1研究背景

摩擦纳米发电机（TENG）作为一种基于接触分离机制将环境机械能转化为电能的新型纳米发电机，近年来在科学研究与实际应用中取得了显著进展。在实验室阶段，TENG已经展现出高功率密度、宽工作频率范围、结构可定制化等优势。当前研究重点在提高能量转换效率、优化材料与结构设计、增强器件稳定性以及拓展实际应用场景。

（TENG应用于人体动能回收） （智能穿戴、健康监测） （不同结构设计用于水波能量收集和传感）

1.2研究目的与意义

目的：

1. 了解摩擦起电效应的利用原理

2. 探究影响摩擦纳米发电机工作效率的影响因素

3. 优化和完善自制发电机

4. 尝试在实际场景应用

意义：

1. 通过实验优化能量转化效率

2. 构思和拓展该领域应用场景，利用自然环境微能源

3. 发展、培养对科研领域的探究精神

二、实验材料与仪器

 

1 万用表及表笔	12	橡胶球
2 100kΩ电阻	13	PVC薄膜胶带
3 MPF102场效应管	14	吸管
4 整流桥	15	透明塑料球壳
5 面包板	16	铜箔胶带
6 公对母杜邦线	17	PET薄膜
7 公对公杜邦线	18	PP薄膜
8 鳄鱼夹导线	19	PE薄膜
9 绿色发光二极管	20	手套
10 电池9V	21	PTFE膜
11 雪弗板

三、实验设计

第一部分：电子验电器的制作及摩擦电序列的探究（先备实验：了解电子元件的使用）

1. 连接电路，摩擦材料

2. 记录LED亮灭数据

3. 整理摩擦电序列

 

（实验过程：LED有一定亮暗变化）

第二部分：摩擦纳米发电机的制作及对其工作效率的探究

1. 制作摩擦纳米发电机

独立层式TENG

单电极式TENG

  （独立层式纳米发电机）

2. 探究影响摩擦纳米发电机工作效率的因素

弹力球薄膜材料

弹力球个数

晃动频率（拓展）

（球形摩擦纳米发电机的影响因素探究）

四、实验步骤

课题一：电子验电器的制作及摩擦电序列的探究

1. 实验器材

电路连接器件（场效应管，发光二极管，100kΩ电阻，9v电池，面包板，杜邦线及鳄鱼夹导线）待测材料（PET,PP,PE,PTFE膜，铜箔，纸）

2. 原理及电路设计

带负电的摩擦材料靠近天线，

天线上电子累积，场效应管

G端形成反向电压，N通道结

构中耗尽层扩大，电路被截止，二极管熄灭。

3. 实验过程及实拍

① 根据电路图安装验电器

（电路接通，二极管发光）

② 按顺序摩擦待测材料

（摩擦铜箔和PTFE膜）

③ 将摩擦后的材料分别靠近天线，观察二 极管亮灭情况并记录。

（将带负电的PTFE膜靠近天线，观察到二极管亮度显著减弱）

4. 实验问题与处理

（1） 主要问题 摩擦后材料无法使二极管熄灭

（2） 推测与检验

原因一 电阻阻值过大导致分压过大

保证电路安全的前提下，我们尝试更换阻值较小的电阻，结果二极管被烧坏；同时，通过查阅资料和咨询老师，初步排除阻值过大的可能。

（接入小电阻后二极管长灭）

原因二 摩擦静电过小，无法使场效应管耗尽层闭合

通过万用表测量以及咨询同学，我们了解到铜与PTFE摩擦产生的静电强度足够产生明显实验效果，该假设排除。

（测量摩擦电压，并对比场效应管电压）

原因三 场效应管损坏 通过交流和充分检验，确定该批次场效应管存在故障。

（3） 分析与改进 重新申报一批材料（实验可完成，证明假设成立）

五、实验结果与分析

表1 常见材料的摩擦电序列探究实验记录表

结论：得电子能力排序为PTFE>PP>PE>PET>铜箔>纸，其中纸与PTFE组合产生的电场最强。

推测原因：纸和PTFE在摩擦电序列中距离最远，得失电子能力差异最明显

• 独立层式摩擦纳米发电机

工作原理

摩擦材料在水平摩擦时，自由电子在桌面和摩擦电极之间流动，从而在外电路产生交流电信号。

制作步骤

1. 粘贴两块铜箔

2. 用PTFE膜往复摩擦

（独立层式TENG）

实验结果

最高电压可达194V，电流较稳定。

• 球形摩擦纳米发电机

工作原理

不同材料挤压时带相反电荷，分离后产生感应电势差，引起电子流动；材料闭合时电子回流，循环产生交流电压。

制作步骤

① 球壳钻孔，穿入杜邦线；

② 球壳内壁粘贴铜箔；

③ 用PVC胶带包裹弹力球并组装。

（球形TENG）

实验结果

最高电压30mV左右。

（碰撞轨迹不固定，发电效率低）

课题3.1 不同薄膜材料对摩擦纳米发电机输出特性影响

实验步骤

1. 分别利用PVC胶带、美纹纸胶带和透明胶带包裹弹力球；

2. 摇晃发电，读取万用表示数，记录最大值；

3. 多次实验，整理数据。

注意事项

控制变量，重复实验；

引入整流桥（变交为直，便于读数）

课题3.2 不同滚球数量对摩擦纳米发电机输出特性影响

实验步骤

1 使用数量不同（1，2，3个）的弹力球进行实验；

2 摇晃发电，读取万用表示数，记录最大值；

3 多次实验，整理数据。

 

（实验过程中）

表2 不同薄膜材料对球形TENG输出特性影响实验记录表

表3 不同弹力球数量对球形TENG输出特性影响实验记录表

综上，开路电压按从大到小的排序对应的薄膜材料分别为PVC>美纹纸>透明胶带；且其他条件一定时，弹力球数量越多，开路电压越大。

实验步骤

① 分别跟随BPM为60，120，180的节拍器进行实验；

② 摇晃发电，读取万用表示数，记录最大值；

③ 多次实验，整理数据。

综上，控制其他条件不变，晃动频率在60-180bpm范围内时，晃动频率越高，开路电压越大

表4 不同晃动频率对球形TENG输出特性影响实验记录表

• 摩擦得电子能力PTFE>PP>PE>PET>铜箔>纸；

• 其中，纸与PTFE摩擦产生电场最强。

• 对于球形摩擦纳米发电机，开路电压按从大到小的排序对应的薄膜材料分别为PVC>美纹纸>透明胶带；

• 其他条件一定时，弹力球数量越多，（1~3个内）晃动频率越高

（BPM60~180内），开路电压越大。

六、讨论与改进

4.1实验不足

电子验电器：（试验成功条件下）二极管亮灭不够明显、环境因素限制过多；

（初步设想：尝试设计新的电路结构）

自制摩擦纳米发电机：某些种类发电机电压较低，发电功率不稳定；

（初步设想：根据原理改进发电机结构）

探究影响因素：发电功率不稳定，电压过低，实验数据偶然误差较大；

（初步设想：多人大量实验，完善数据）

4.2• 创新想法

• 尝试将摩擦纳米发电机应用于实际将合适的摩擦材料粘贴于运动鞋底，并在鞋面周围布置电路，利用跑动时鞋与地面摩擦生成的电荷点亮鞋面二极管，提高夜跑可见度和安全性。

（查阅理论依据设计图）

未来的探究时间内，我们将进一步完善实验方案和数据，并尽早落实应用于实际的计划。

七、致谢

 衷心感谢郑静格、梁楚楚等老师给予的悉心指导；

 感谢四位小组主要成员（张永昊，孙艺铭，朱聆语，刘禹成）在实验、摄像和数据分析等方面的团结协作和研究贡献；

 感谢王中林院士等高精尖科研工作者给予的研究思路和前瞻性成果；

 感谢冯思雯等12位同学的辅助探究；

 感谢家人和朋友的关心与支持；

 感谢徐州市第一中学提供的宝贵学习机会！参考文献

八、参考文献

1.微创博志教育.微小能源采集——摩擦纳米发电机的制备及其性能研究[M].科探方舟学生手册.