微小能源设计——摩擦纳米发电机的制备及其性能研究
摩擦纳米发电机的制备及其性能研究
【摘要】摩擦纳米发电机（TENGs）作为一种新兴的微纳能源收集装置，通过接触起电和静电感应效应将机械能转化为电能，近年来受到了广泛关注。徐州市第一中学的研究项目聚焦于摩擦纳米发电机的性能研究，通过实验从摩擦电材料种类、滚球数量、晃动频率等方面系统地考察了TENGs的输出特性。实验设计严谨，每个变量均进行了多次重复测试，旨在为TENGs的性能优化提供实验依据。
【关键词】摩擦纳米发电机；制备；性能研究
一、选题研究的背景
随着全球科技发展和人口增加，对于清洁、可持续能源的需求日益迫切。传统能源的有限性和环境污染问题促使人们寻找新的能源转换与收集方式。在物联网（IoT）、可穿戴设备、传感器网络等领域，小型化、分布式设备对能源的需求提出了新的挑战。摩擦纳米发电机作为一种微纳能源收集技术，能够将日常环境中未被充分利用的机械能（如人体运动、风能、水流等）转换为电能，满足这些设备的自供电需求。对摩擦电效应的深入理解，特别是对其基本原理、工作机制的探索，为设计高效、稳定的TENG提供了理论支撑。近年来，新型材料如二维材料（如石墨烯、MXene）、聚合物复合材料等的发现与应用，为TENG提供了性能更优、设计更为灵活的组件材料，极大地促进了其性能的提升和应用范围的扩展。
二、实验材料
实验仪器：万用表及表笔、100千欧电阻、MPF102场效应管、整流桥、面包板、公对母杜邦线、公对公杜邦线、鳄鱼夹导线、绿色发光二极管、电池9V、雪弗板、橡胶球、PVC薄膜胶带、吸管、透明塑料球壳、铜箔胶带、PET薄膜、PP薄膜、PE薄膜、PTFE膜、绝缘手套、直尺
三、实验设计
1.摩擦纳米发电机设计制作及性能探究
1.1制备
1.1.1将两根杜邦线一端外皮剥去约2-3cm，露出里面的金属丝，备用。将两半透明塑料球壳的底部分别钻一个小孔，孔径应大于杜邦线的线径。
1.1.2将杜邦线的金属裸露端穿入塑料球壳的小孔，并用铜箔胶带固定在塑料球壳内，注意粘贴铜箔胶带时应尽量保持铜箔胶带表面平整，可借助直尺或刮板等工具使其较好地贴合在塑料球壳的内壁，确保裸露的金属丝与铜箔胶带接触良好。
1.1.3用单层PVC胶带完全包裹弹力球，确保弹力球能在塑料球课内自由移动。将包裹好的弹力球装到塑料球壳内，将塑料球壳扣好。
1.2实验测试
1.2.1将发光二极管、球形摩擦纳米发电机接到面包板上，为了较稳定的持续给发光二极管提供直流电，可在面包板上插整流桥。
1.2.2来回摇晃塑料球壳，在摇晃一定次数后，在发光二极管上套上一小段黑色吸管，观察发光二极管的明灭状态。
1.3正式实验
1.3.1控制滚球数量(3个)、晃动频率(BPM=120)相同，分别用不同的薄膜材料（PVC胶带、美纹纸胶带、透明胶带）包裹弹力球制作得到不同的球形摩擦纳米发电机。
1.3.2将万用表调制电压档（最大量程200mV），测量不同材料包裹弹力球时球形摩擦纳米发电机输出的开路电压，比较不同材料包裹下的摩擦纳米发电机输出电压的差异，每种情况重复三次，记录万用表读数最大值并求得平均值。
四、结果与分析
通过图1可看出，使用不同的薄膜材料包裹弹力球，TENG的开路电压存在差异，开路电压按照从大到小的排序对应的薄膜材料分别为PVC胶带，美纹胶带，透明胶带，推测原因为材料得失电子能力不同。
薄膜材料类型 |
开路电压/mV |
|||
重复1 |
重复2 |
重复3 |
平均值 |
|
PVC胶带 |
0.90 |
0.50 |
0.40 |
0.60 |
美纹纸胶带 |
0.20 |
0.20 |
0.20 |
0.20 |
透明胶带 |
0.10 |
0.20 |
0.10 |
0.13 |
表1 不同薄膜材料对球型摩擦纳米发电机输出特性影响实验记录表
图1 不同薄膜材料对球型摩擦纳米发电机输出特性影响
通过图2可看出，拥有不同滚球数量的摩擦纳米发电机的开路电压存在差异，开路电压按照从大到小的排序对应的弹力球数量分别为3个，2个，1个，推测原因为弹力球数量增加，每次晃动碰撞次数增加。
弹力球数量 |
开路电压/mV |
|||
重复1 |
重复2 |
重复3 |
平均值 |
|
1个 |
0.20 |
0.30 |
0.30 |
0.26 |
2个 |
0.60 |
0.50 |
0.50 |
0.53 |
3个 |
0.80 |
0.90 |
1.10 |
0.93 |
表2 不同滚球数量对球型摩擦纳米发电机输出特性影响实验记录表
图2 不同滚球数量对球型摩擦纳米发电机输出特性影响
五、结论
1.不同的薄膜材料由于其表面性质、介电常数以及导电性的差异，会影响静电电荷的积累与释放效率，从而影响开路电压的大小。PVC胶带、美纹胶带和透明胶带在作为TENG的包裹材料时，PVC胶带表现出了最高的开路电压，这可能是因为PVC材料具有较好的介电性能和较弱的电子逸出能力，有利于电荷的积累。相比之下，透明胶带可能因材质较为“光滑”或导电性较好，导致电荷更容易流失，从而开路电压较低。因此，选择合适的薄膜材料对于提高TENG的输出性能至关重要。
2.增加弹力球的数量可以增加在TENG内部的滚动碰撞次数，从而增加了电荷分离的机会，导致更多的电荷累积在两个接触面之间，提高了开路电压。当使用3个弹力球时，由于每次晃动时有更多的机会发生电荷转移，相较于2个或1个弹力球，能够产生更高的开路电压。这表明，通过调整滚动体的数量是优化TENG性能的一个有效策略。
3.综合来看，TENG的开路电压受到薄膜材料和内部滚动体数量的双重影响。为了最大化TENG的输出性能，应选择得失电子能力适宜且介电性能良好的薄膜材料，并合理增加滚动体的数量以增加电荷转移的机会。这些结论对于设计高效能的摩擦纳米发电机具有指导意义。
六、参考文献
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