东华大学导入PDMS-100型摩擦纳米发电机测试系统

   东华大学(Donghua University)，地处上海市，是教育部直属全国重点大学，国家“双一流”、"211工程”建设高校，入选国家“2011计划”、"111计划”[206]、卓越工程师教育培养计划、国家级大学生创新性实验计划、中非高校20+20合作计划、国家级大学生创新创业训练计划、新工科研究与实践项目[157]、新农科研究与改革实践项目、新文科研究与改革实践项目[297]、国家建设高水平大学公派研究生项目[156]、国家大学生文化素质教育基地[110]、全国高校实践育人创新创业基地[154]、全国工程硕士研究生教育创新院校[3]、中国政府奖学金来华留学生接收院校[218]、全国高校来华留学质量认证首批试点院校、上海市卓越新闻传播人才培养基地[，为全国首批博士学位授予单位、高水平行业特色大学优质资源共享联盟发起成员[209]、长三角新文科教育专业认证联盟牵头单位。

PDMS-100型压电材料摩擦纳米发电机测试系统

关键词：压电，摩擦，纳米，发电

前言：

PDMS-100型压电材料摩擦纳米发电机测试系统作为一种能量产生单元，在其内部的电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦电材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。摩擦纳米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。

PDMS-100型压电材料摩擦纳米发电机测试系统利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能。这是一种新的技术并具有的输出性能和优点。它既用不着磁铁也不用线圈，在制作中用到的是质轻、低密度并且价廉的高分子材料。PDMS-100型压电材料摩擦纳米发电机的发明是机械能发电和自驱动系统领域的一个里程碑式的发现，这为有效收集机械能提供了一个全新的模式。

主要技术参数：

1、采样率50k/s，连续可调。

2、分辨率16bit

3、输入阻抗：1GΩ

4、输入偏置电流：+200pA

5、电压量程：10μV-200V

6、电流量程：20nA-20mA

7、电阻量程：10mΩ-200GΩ

1. 输入电压：220V 单相交流电；

2. 扭矩：1.2 牛米；

3. 有效运行长度：300mm 高精度皮带传控；

4. 定位精度：0.06mm；步进精度：0.0086mm

5. 最大运行速度：300mm/s；

6. 控制方式：电脑程序控制

7. 压力传感器：量程：0~100N，精度：+/- 0.1N

8.DAQ 数据采集卡：支持 NI 采集卡全系列，具体规格详见 NI 官网(如:USB 6002,6003 等)，可定制开发

9. 面包板光学平台尺寸: 长 600mm，宽 300mm，厚 13mm

10.频率：0-5HZ

主要配置：

1、一体式驱控步进电机

2、24V 开关电源

3、压力传感器控制器

4、运动高精度模组

5、动子

6、压力传感器(拉压双向)

7、定子

如图3所示，研究团队创新性地开发出基于MP纳米纤维膜的自供电摩擦纳米发电机（TENG），MP-TENG通过多孔结构MP-NM与Ecoflex复合，实现接触力与频率依赖的电输出特性。在接触力驱动模式下，输出电压、电流及转移电荷随压力增加呈线性增长，最大输出达128 V、8.4 mA m-2、130 μC m-2，这源于实际接触面积的显著扩展。频率响应测试显示，输出电流随振动频率提升（2.5 mA m-2至14.25 mA m-2），而电压与电荷量保持稳定，归因于电荷转移速率对运动速度的弱敏感性。负载调控实验表明，外接电阻2MΩ时峰值功率密度达5.5W/m²，且具备高效电容器充电能力（2.2μF/8.8V或10μF/5V）。耐久性测试中，装置在10000次循环（2Hz）后输出性能维持96%，验证其长期稳定性。该特性为微型电子设备提供了一种自供电解决方案，尤其适用于低功耗、间歇性工作场景。

利用摩擦产生的静电荷，需要有接触-离开的机制。接触使得上下两层材料产生摩擦静电，离开后两层材料断开，没有回路，而静电场依然存在，可以在外接负载的情况下产生电流流过负载。

有四种基本工作模式：

1、垂直的摩擦-接触（样品垂直放置,运动台垂直滑动）

2、水平滑动

两个电极材料接触的一面水平滑动摩擦产生静电，而两个电极未接触的一面将产生反向电荷，如何让负载两端分别接在两个电极未接触面，即可产生电流流过负载。周期性的来回滑动，可以产生交流电

3、单电极模式

只有一个电极，电极上有物体，改变物体与电极之间的距离可以改变电厂，引起静电感应电荷的流动，负载两端分别接到下电极和地之间，通过上电极上物体与电极之间的距离来产生静电流流过负载

4、独立层模式

带电物体的一面接有两个电极，两个电极分开一定距离，分别为正负极，接在负载两端。当带电物体沿水平方向移动时，两个电极之间就出现了感应电动势

东华大学导入PDMS-100型摩擦纳米发电机测试系统,对于进一步研究压电材料的性能有重要作用，对于提升学校的研究能力和本科教学有着重要意义。