将胶囊型摩擦纳米发
将盖板外侧电极接线
设置有水汽产生装
两根玻璃管其中一
根较长的玻璃管插入玻
电机、湿度计固定在真空 柱分别接至静电计测试端 置为真空箱提供高湿度 璃瓶内水液面以下，另
箱(30cm×20cm×10cm)
口，用以记录摩擦纳米发
的气体。该装置为一个
一个较短的玻璃管通过 软管连接到真空箱的进
内部，摩擦纳米发电机两 电机的电学输出。
PART 02 设备制备
纳米发电机的制备
Step 1
Level 2
Level 3
Level 4
准备一个圆柱体型
将铜基滑动器放置
玻璃柱(长35mm、直径 于一个PVC管(长
22mm)，在其侧面粘附 85mm、内径25mm、
厚度约0.由滑动的 铜基滑动器能够在外力
Step 4
当铜摩擦层从最右端往 左滑动时，右电极处感应负 电荷不断减少且正电荷连续 积累，电子由右向左移动， 形成由左向右的反向电流。 当铜摩擦层滑动到最左端时 ，回到初始状态。
PART 04
湿度对摩擦纳米发电机输出性能的影响
汇报人：洪小兰
湿度对摩擦纳米发电机输出性能的影响
系统湿度调控
Level 1
湿度对铜-聚氯乙烯基摩擦纳米 发电机输出性能的影响
目 录 CONTENTS
01 发电机介绍
02 设备制备 03 工作原理 04 湿度对摩擦纳米发电机输出性能的影响 05 结论
PART 01 发电机介绍
摩擦电纳米发电机 ( triboelectric nanogenerator， TENG)
一种利用摩擦起电和静电感应效应实 现将机械能转换为电能的换能装置。
在机械能收集、自驱动传感领域具有 巨大的应用潜力。
输出 瞬时功率高
能量 转换率高
材料成本低
重量轻
制作简单 易于扩展
研究表明，带电离子注入和摩擦材料表面物理 改性等手段会显著增强摩擦纳米发电机的输出。
此外，摩擦材料表面的化学处理也会通过影 响摩擦层的得失电子能力而改变器件的电能输出 。
随着应用领域的不断拓展，摩擦纳米发电机 及基于摩擦纳米发电机的自供电传感器广泛应用 在具有水汽的环境中，例如人体内部、海洋环境 、高湿度环境等。
相对湿度对器件输出影响的机理分析
Level 2
Level 3
相对湿度对摩擦纳米发电机输出的影响
Level 4
结论
测试系统湿度调控
获得最低箱体内部的相对湿度（10%）
通过控制进气阀开口的大小和开关时间控制水汽流量
本实验中： 获得的相对湿度值分别为 10%、28%、33%、47%、 61%、84%。
相对湿度对摩擦纳米发电机输出的影响
2. 相对湿度大于 33%。当湿度增大到一定值时，两 摩擦界面空隙形成连续的水膜，使得部分摩擦层表面 的静电荷被导走，摩擦纳米发电机输出性能降低。
PART 05
结论
结论
本文以铜、聚氯乙烯作为正、负摩擦材料制备胶囊型摩擦纳米发电机，研究湿度对摩擦 纳米发电机输出性能的影响。结果表明:
1. 摩擦纳米发电机的工作环境湿度会显著影响器件的电能输出，摩擦纳米发电机输出性能 随着相对湿度上升呈现出先上升后下降趋势。可通过优化摩擦纳米发电机的局部环境湿度 增强器件电能输出; 2. 对于采用以铜和 PVC 为摩擦层的摩擦纳米发电机，当相对湿度为 33% 时，摩擦纳米 发电机的开路电压、短路电流、转移电荷分别达到 287V、8. 2 μA、315 nC，这分别是相 对湿度为 10% 情况下器件输出的 8. 1 倍、9. 3 倍、8. 1 倍。
利用外部机械装置 匀速来回摇动箱体使得 铜基滑动器在PVC管内 实现自由滑动和摩擦， 从而产生稳定的周期性 电能输出。
利用静电计记录摩 擦纳米发电机的输出 开路电压、短路电流和 电荷转移量。
PART 03 工作原理
摩擦纳米发电机的原理 Step 1
假定器件的初始状态如 图 3( a) 所示，由于铜层的 面积较小，因此其表面电荷 密度较高
相对湿度对摩擦纳米发电机输出的影响
相对湿度对摩擦纳米发电机输出的影响
相对湿度对摩擦纳米发电机输出的影响
1. 系统相对湿度为 10%时，摩擦纳米发电机输出开路电压约为35. 3 V、输出短路电流 约为0. 83 μA、电荷转移量约为 39. 2 nC。 2. 随着系统相对湿度上升，器件输出性能逐渐增强；当系统相对湿度达到一定值后继续 上升，输出性能反而呈现下降趋势。 3. 当相对湿度为33%时，摩擦纳米发电机输出达到最大值。此时，输出开路电压为287 V、输出短路电流为8. 2 μA、电荷转移量为 315 nC。
表明： 通过调控摩擦纳米发电机的局部工作环境湿度可以有效增强并获得稳定、高效电能输出。
相对湿度对器件输出影响的机理分析
本质：摩擦材料之间电荷量的转移
湿度
电荷量转移
湿度 逐渐增加 形成水膜（摩擦层表面） 影响 摩擦层间的电荷转移 决定
电能输出
1. 相对湿度小于 33%。湿度较低时，电荷转移过程 仅仅发生于两个摩擦面间的接触点；相对湿度上升， 摩擦界面处逐渐形成不连续的水膜，局部增加铜-PVC 摩擦面的实际接触面积。
插有橡皮塞内有纯净水 气口。
电极引线分别接至真空箱 盖板内侧电极接线柱。
的玻璃瓶。
真空箱的抽气口与 机械泵之间利用软管连 接。
测试与表征 Step 1
Step 1
Step2
Step 3
Step 4
首先采用机械泵抽除 真空箱内部各种气体，包 括水蒸气，使得箱体内部 的相对湿度达到最低。
打开真空箱外连接水 汽产生装置的进气口端， 通过控制真空箱外进气阀 开口的大小和进气流量可 控制水汽流量，从而控制 箱内湿度，并利用真空箱 内的湿度计观察湿度变化
铜基滑动器。
作用下于 PVC管内实现
自由滑动和摩擦。
在PVC管外壁两端
部分封闭 PVC 管两
包覆两段宽度为35mm 端，确保铜基滑动器在
的铜膜作为胶囊型摩擦 反复滑动过程中不会脱
纳米发电机的两个工作 离 PVC 管。
电极。
温度可控测试系统的制备 Step 1
Step 1
Step2
Step 3
Step 4
Step 3
当铜摩擦层滑动到最右 端，器件重新处于静电平衡 状态
由于铜和 PVC 摩擦电性能的差异，在摩擦过程中铜 摩擦层更容易失去电子而带正电，PVC摩擦层则相对 容易得电子而带负电。当两摩擦层充分接触摩擦后， 两个摩擦层表面会带上数量相等、极性相反的静电荷 。
Step 2
当铜摩擦层往右端滑动 时，左电极处感应的负电荷 不断减少且正电荷连续积累 ，即电子通过外部负载由左 电极流向右电极形成由右向 左的电流。