1、课题背景

1.1中科院微型实验室"科探方舟"

"科探方舟"（课题研究项目），是徐州一中与中科院合作，中科院京区科协牵头设计的品牌科学产品。"科探方舟"以探究性科学实验装置为支柱，在专业探究课程专家的指导下完成"小课题研究"，帮助同学们涵养科学精神、提高科学素养。

"科探方舟"是一个探究性的教学集成包，相当于一个微型的实验室，其中包含了生命科学、资源环境等十个不同方向的课题，分别涉及水质差异与硬水软化、射电天文望远镜工程、桥梁承载能力、住宅日照间距、种子催芽剂、风力发电等，都是基于当下、基于生活和生产实践、基于同学们所见所闻所思所想，是真问题，课题具有前瞻性和鲜明的目的性和计划性。

主要目的在于培养学生的创新思维、合作精神、沟通能力，以此提高科学素养。高中是培养学生创新思维的黄金时期，而小课题研究又是一项缜密的科学实验活动，应该让同学们从高中开始，就养成像科学家一样思维的习惯。通过自主学习、动手实验、成果汇报和答辩的形式，达到开阔视野、启迪灵感、增强创新意识和动手实践能力，提高综合科学素养，为将来成为未来社会急需的创新型人才打下基础。

1.2课题简介

摩擦电发电机是由美国科学家王中林开发的一种微型发电机，它能依靠摩擦点电势的充电泵效应，把极其微小的机械能转化为电能。此种发电机在电子产品、环境监测以及医疗设备制造等领域具有巨大的应用潜力。

摩擦电发电机的动力源既可以是已被人们认识的风力、水力、海浪等大能源，也可以是人的行走、身体的晃动、手的触摸、下落的雨滴等从没被人们注意过的环境随机能源，还可以是车轮的转动、机器的轰鸣等。 将来只要正常走路，安在鞋里的摩擦电发电机就能随时为你自己随身携带的手机充电。与工业大规模发电不同，摩擦电发电机可以让运动着的每个人都“发电”，可以让司空见惯的摩擦、挤压、坠落等现象都变成发电的动力源。未来，汽车刹车就能发电充电；如果把摩擦电发电机铺在马路上，每一辆驶过的汽车都能参与发电过程。

（不同结构设计用于水波能量收集和传感）

2、实验过程

2.1科探方舟开箱物料

1 万用表及表笔            2 100kΩ电阻

3 MPF102场效应管          4 整流桥

5 面包板                6 公对母杜邦线

7 公对公杜邦线            8 鳄鱼夹导线

9 绿色发光二极管          10 电池9V

11 雪弗板               12 橡胶球

13 PVC薄膜胶带            14 吸管

15 透明塑料球壳           16 铜箔胶带

17 PET薄膜              18 PP薄膜

19 PE薄膜               20 手套

2.2实验过程

本实验通过测试不同材料的摩擦电效应，探究了独立层式摩擦纳米发电机和球形摩擦纳米发电机的输出特性。

2.2.1测试不同材料的得电子能力及摩擦电效应。

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

实验原理：用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。

步骤1、安装验电器

（电路接通，二极管发光）

步骤2、按顺序摩擦待测材料

（摩擦铜箔和PTFE膜）

步骤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）

实验过程存在问题及分析处理

出现问题、摩擦后材料无法使二极管熄灭

推测一、电阻阻值过大导致分压过大。

检验推测：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）

推测二、摩擦静电过小，无法使场效应管耗尽层闭合

检验推测：通过万用表测量以及咨询指导老师，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）

推测三、场效应管损坏

通过排除各种存在影响因素，最终经过充分检验，确定该批次场效应管存在故障。

实验结果

本次测试相关材料摩擦结果记录

被测材料	摩擦基准材料
	PE	PP	PET	PTFE	纸	铜箔
PE		灯亮	灯灭	灯亮	灯灭	灯灭
PP			灯灭	灯亮	灯灭	灯灭
PET				灯亮	灯灭	灯灭
PTFE					灯灭	灯灭
纸						灯亮
铜箔

相关材料摩擦结果记录表

结论：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。

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。

2.2.2 对比独立层式与球形TENG的输出性能。

独立层式摩擦纳米发电机。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。

（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。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。

（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。

2.2.3探究弹力球数量、包裹材料及晃动频率对球形TENG开路电压的影响。

不同薄膜材料对球形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。

不同薄膜材料对球形TENG输出特性影响实验记录表

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	20.4	20.1	20.6	20.7
美纹纸胶带	12.2	12.0	12.8	12.3
透明胶带	10.9	10.2	10.2	10.1

不同滚球数量对摩擦纳米发电机输出特性影响

实验步骤

使用数量不同（1，2，3个）的弹力球进行实验；

摇晃发电，读取万用表示数，记录最大值；

多次实验，整理数据。

不同弹力球数量对球形TENG输出特性影响实验记录表

弹力球数量	开路电压/mV
	重复1	重复2	重复3	平均值
1个	20.4	20.1	20.6	20.7
2个	24.2	22.8	23.5	23.5
3个	29.1	27.2	26.5	27.7

晃动频率对摩擦纳米发电机输出特性的影响

实验步骤

分别跟随BPM为60，120，180的节拍器进行实验；

摇晃发电，读取万用表示数，记录最大值；

多次实验，整理数据。

晃动频率	开路电压/mV
	重复1	重复2	重复3	平均值
BPM=60	15.1	15.2	15.1	20.7
BPM=120	24.6	26.3	27.4	23.5
BPM=180	33.3	33.1	36.4	27.7

实验结论：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。

3、课题报告

摘要：本研究通过自主搭建摩擦纳米发电机（TENG）实验平台，系统探究了材料摩擦电特性、表面形貌及机械震动参数对能量转换效率的影响。通过系统测试不同材料的得电子能力及摩擦电效应，设计并制备了独立层式与球形两种结构的摩擦纳米发电机，探究了材料选择、结构参数及机械激励条件对TENG输出性能的影响。实验表明：

1. 材料的得电子能力排序为 PTFE > PP > PE > PET > 铜箔 > 纸，但纸与PTFE摩擦时产生的电场最强；

2. 球形TENG中，PVC胶带包裹的弹力球开路电压最大（PVC > 美纹纸 > 透明胶带），且弹力球数量增加（1→3个）时开路电压显著提升；

3. 在60-180bpm晃动频率范围内，开路电压随频率升高而增大。

本研究为TENG的材料优化与能量收集应用提供了实验依据。研究成果为微型自供电系统设计提供了实践依据。

0引言

摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）作为一种新型机械能-电能转换技术，在微能源收集领域具有重要应用前景。

近年摩擦纳米发电机技术发展：

2012年：王中林团队首次提出TENG概念，基于摩擦起电与静电感应耦合效应（Advanced Materials, 2012）。

2015年：实现从低频机械能（如人体运动）中高效收集能量，功率密度突破10 W/m²。

2020年至今：材料与结构创新（如多层异质结构、柔性电极）、混合能源系统（TENG+压电/太阳能）成为研究热点。其输出性能核心依赖于摩擦材料的电子亲和力差异与结构设计。

本实验旨在：

1. 筛选高电荷密度的摩擦材料对；

2. 探究独立层式与球形TENG的输出特性差异；

3. 分析弹力球数量、包裹材料及晃动频率对球形TENG性能的影响，为实际应用提供参考。

1、材料与方法

1.1材料

摩擦材料：PTFE薄膜（0.1mm）、聚丙烯（PP）、聚乙烯（PE）、PET薄膜、铜箔（0.05mm）、打印纸；

球形TENG材料：PVC胶带、美纹纸胶带、透明胶带，弹力球（直径5cm）；

测试设备：万用电表、静电计（Keysight U2722A）、数字示波器（Rigol DS1202Z-E）、频率可调振动台。

1.2实验设计

1.2.1材料得失电子能力测试

按图连接电路，将PTFE、PP、PE、PET、铜箔、纸两两组合进行摩擦，将摩擦后的材料靠近天线，记录LED灯的亮灭情况并做记录。

1.2.2独立层式摩擦纳米发电机。

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。

实验步骤

1、连接待测电路；

2、粘贴两块铜箔；

3、摩擦层间距2mm，通过周期性垂直接触-分离运动测试开路电压。测得电压可达194V，电流较稳定。

1.2.3探究弹力球数量、包裹材料及晃动频率对球形TENG开路电压的影响。

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。

测试包裹材料对开路电压的影响

实验步骤

1、球壳钻孔，穿入杜邦线；

2、球壳内壁粘贴铜箔；

3、分别利用PVC胶带、美纹纸胶带和透明胶带包裹弹力球与铜箔电极接触测试；

4、摇晃发电，读取万用表示数，记录最大值；

5、多次实验，整理数据。

测试弹力球数量对开路电压的影响

实验步骤

1、固定包裹材料（PVC胶带），依次使用1、2、3个弹力球进行测试；

2、再次摇晃发电，读取万用表示数，记录最大值；

3、多次实验，整理数据。

测试振动频率对开路电压的影响

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。

2、结果与分析

2.1不同材料得失电子情况分析

当带负电的摩擦材料靠近实验电路天线时，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。

被测材料	摩擦基准材料
	PE	PP	PET	PTFE	纸	铜箔
PE		灯亮	灯灭	灯亮	灯灭	灯灭
PP			灯灭	灯亮	灯灭	灯灭
PET				灯亮	灯灭	灯灭
PTFE					灯灭	灯灭
纸						灯亮
铜箔

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。

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。

2.2不同包裹材料对开路电压的影响

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	20.4	20.1	20.6	20.7
美纹纸胶带	12.2	12.0	12.8	12.3
透明胶带	10.9	10.2	10.2	10.1

2.3不同弹力球数量对开路电压的影响

弹力球数量	开路电压/mV
	重复1	重复2	重复3	平均值
1个	20.4	20.1	20.6	20.7
2个	24.2	22.8	23.5	23.5
3个	29.1	27.2	26.5	27.7

2.4不同振动频率对开路电压的影响

晃动频率	开路电压/mV
	重复1	重复2	重复3	平均值
BPM=60	15.1	15.2	15.1	20.7
BPM=120	24.6	26.3	27.4	23.5
BPM=180	33.3	33.1	36.4	27.7

当带负电的摩擦材料靠近实验电路天线时，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

3、结论与讨论

1. 材料优化：PTFE与纸的组合因最大电子亲和力差异，适用于高输出TENG设计；

2. 结构设计：球形TENG中，PVC胶带包裹的弹力球性能最优，且可通过增加弹力球数量提升输出；

3. 频率响应：TENG在180bpm时输出最高，适合人体运动（如步行频率~2Hz）能量收集。

在本次试验研究的基础上，还可以增加湿度对材料摩擦电性能的影响；探索柔性电极材料以提升TENG耐久性等相关方面的实验研究。

未来TENG技术将向高性能化（功率密度＞1 kW/m³）、智能化（自适应环境）和集成化（与储能、传感器融合）发展，有望成为“万物互联”时代分布式能源的核心解决方案。

参考文献

1.王中林《Triboelectric Nanogenerators》（可引用DOI: 10.1002/adma.201403864）

2. Niu, S., et al. "Theory of sliding-mode triboelectric nanogenerators." *Advanced Energy Materials* 5.24 (2015): 1500901.

3. "表面粗糙度对摩擦纳米发电机输出性能的影响." 《物理学报》 69.5 (2020): 058401.