導   讀

針對勝利海域環境特點，以四氟乙烯(TFE) 和六氟丙烯(FEP) 共聚物作為摩擦納米發電機(TENG) 的核心功能材料，系統優化了TENG裝置的關鍵結構參數，并研究了該裝置在海洋環境中的能量轉換效率和輸出穩定性。結果表明：摩擦納米發電裝置的最優結構參數為傾斜角30°，間隙距離10mm；當環境濕度為40%、驅動頻率為8Hz、驅動壓力為5kPa時，FEP-TENG輸出信號最強( 開路電壓為 300V，短路電流為50μA)；隨著負載電阻的增大，FEP-TENG的輸出功率密度先增大后減小，當負載電阻為5MΩ時，FEP-TENG的輸出功率密度最大(12208mW/m² )。

論文標題：

海洋環境用摩擦納米發電材料的制備及輸出特性

論文作者：

楊超1，王偉斌1，張浩然1，宋昊昕1，楊文迪1，茍春雨1，黃珊1,2 ，劉建國2，張冬至2

作者單位：

1. 中國石化勝利油田分公司技術檢測中心

2. 中國石油大學(華東) 

DOI:10. 11973/fsyfh250099

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01

研究背景

本文重點討論了摩擦納米發電機（TENG）在捕獲波浪能方面的優勢，以及如何通過優化材料和結構參數來提升TENG的性能。文章指出，傳統的電磁發電機在收集波浪能時存在體積大、成本高和效率低的問題，而TENG具有高效率、便攜、操作簡單和適用于低頻能量轉換的特點。同時，文章提出了使用四氟乙烯（TFE）和六氟丙烯（FEP）共聚物作為TENG核心材料，并研究了其在海洋環境中的能量轉換效率和輸出穩定性，以實現高效、穩定的波浪能捕獲。

02

研究亮點

1 摩擦納米發電材料的篩選與制備

本文主要討論了摩擦納米發電材料的選擇與制備。重點包括：摩擦電效應的強度與材料表面電荷量和電勢差相關，需考慮材料的摩擦電序列以優化靜電特性；高分子聚合物材料如Ecoflex硅橡膠和PDMS等因電學和力學特性被選為候選材料；含鹵素的PTFE、PVDF等和含羥基的PVA等材料也具有良好摩擦電性能；二維材料如MoS和MXene以及介電材料如TiO、BaCO能增強電荷儲存能力和導電性。針對勝利海域環境特點，選擇TFE和HFP為摩擦納米發電材料，并通過特定工藝制備得到FEP薄膜，制成FEP-TENG。

FEP薄膜的微觀形貌和EDS面掃結果

最后，通過有限元模擬分析了傾斜角和間隙距離對TENG電輸出性能的影響。

傾斜角和間隙距離對TENG電輸出性能的影響

2 信號輸出試驗

主要研究了TENG在不同條件下的性能，包括發電性能測試、負載匹配優化、環境適應性測試、機械耐久性測試和儲能特性研究。

重點內容包括：1. 發電性能測試：測量開路電壓、短路電流及長期穩定性。2. 負載匹配優化：連接不同電阻，計算峰值功率。3. 環境適應性測試：分析濕度對發電的影響。4. 機械耐久性測試：評估TENG的穩定性。5. 儲能特性研究：將TENG產生的交流電整流后存儲至電容器，并測試其供電能力。

測試平臺

同時，介紹了測試平臺的關鍵設備，并對不同TFE和HFP摩爾比的復合發電薄膜進行了性能測試。還研究了環境濕度、負載匹配、外部驅動頻率和壓力對TENG性能的影響。最后，評估了TENG的持續供電性能。

3 結果與討論

本章節主要討論了FEP-TENG在不同條件下的輸出特性及其穩定性。FEP-TENG在28∶72摩爾比條件下電輸出性能最優，開路電壓和短路電流分別達到300 V和50μA，并表現出良好的柔韌性和長期穩定性。環境濕度對FEP-TENG性能有顯著影響，濕度增加會導致電輸出性能下降。負載匹配優化顯示，FEP-TENG在特定負載電阻范圍內輸出功率密度最高。外部驅動頻率對開路電壓影響不大，但短路電流隨頻率增大而增加；驅動壓力在一定范圍內能提高電輸出性能，但超過一定壓力后性能趨于飽和。FEP-TENG的儲能特性表明，增大面積可以提高電輸出能力，并能直接為商用LED和計算器供電。

外部驅動頻率和壓力對FEP-TENG開路電壓和短路電流的影響

不同面積FEP-TENG和電容條件下FEP-TENG的最大充電電壓和供能測試結果

03

結論

總結了針對勝利海域環境特點，采用四氟乙烯和六氟丙烯共聚物作為摩擦納米發電機材料的研究成果。確定了最優結構參數，并找到了FEP-TENG的最佳摻雜比例、輸出特性與環境因素的關系，以及最大輸出功率密度的條件。

(1) 針對勝利海域環境特點,以四氟乙烯和六氟丙烯共聚物作為摩擦納米發電機的核心功能材料。通過數值模擬確定了摩擦納米發電裝置的最優結構參數為傾斜角30°，間隙距離10mm。

(2) 通過測試不同摻雜比例下FEP-TENG的輸出特性，確定最佳 TFE和HFP摩爾比為28∶72。隨著環境相對濕度的增加，FEP-TENG的輸出信號減小；隨著驅動壓力和驅動頻率的增大，輸出信號增強；當環境濕度為40%、驅動頻率為8Hz、驅動壓力為5kPa時，FEP-TENG的輸出信號最強(開路電壓為300V，短路電流為50μA)。隨著負載電阻的增大，FEP-TENG的輸出功率密度先增大后減小，其中當負載電阻為5MΩ時，FEP-TENG的輸出功率密度最大(12208mW/m²)。