导   读

针对胜利海域环境特点，以四氟乙烯(TFE) 和六氟丙烯(FEP) 共聚物作为摩擦纳米发电机(TENG) 的核心功能材料，系统优化了TENG装置的关键结构参数，并研究了该装置在海洋环境中的能量转换效率和输出稳定性。结果表明：摩擦纳米发电装置的最优结构参数为倾斜角30°，间隙距离10mm；当环境湿度为40%、驱动频率为8Hz、驱动压力为5kPa时，FEP-TENG输出信号最强( 开路电压为 300V，短路电流为50μA)；随着负载电阻的增大，FEP-TENG的输出功率密度先增大后减小，当负载电阻为5MΩ时，FEP-TENG的输出功率密度最大(12208mW/m² )。

论文标题：

海洋环境用摩擦纳米发电材料的制备及输出特性

论文作者：

杨超1，王伟斌1，张浩然1，宋昊昕1，杨文迪1，苟春雨1，黄珊1,2 ，刘建国2，张冬至2

作者单位：

1. 中国石化胜利油田分公司技术检测中心

2. 中国石油大学(华东) 

DOI:10. 11973/fsyfh250099

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01

研究背景

本文重点讨论了摩擦纳米发电机（TENG）在捕获波浪能方面的优势，以及如何通过优化材料和结构参数来提升TENG的性能。文章指出，传统的电磁发电机在收集波浪能时存在体积大、成本高和效率低的问题，而TENG具有高效率、便携、操作简单和适用于低频能量转换的特点。同时，文章提出了使用四氟乙烯（TFE）和六氟丙烯（FEP）共聚物作为TENG核心材料，并研究了其在海洋环境中的能量转换效率和输出稳定性，以实现高效、稳定的波浪能捕获。

02

研究亮点

1 摩擦纳米发电材料的筛选与制备

本文主要讨论了摩擦纳米发电材料的选择与制备。重点包括：摩擦电效应的强度与材料表面电荷量和电势差相关，需考虑材料的摩擦电序列以优化静电特性；高分子聚合物材料如Ecoflex硅橡胶和PDMS等因电学和力学特性被选为候选材料；含卤素的PTFE、PVDF等和含羟基的PVA等材料也具有良好摩擦电性能；二维材料如MoS和MXene以及介电材料如TiO、BaCO能增强电荷储存能力和导电性。针对胜利海域环境特点，选择TFE和HFP为摩擦纳米发电材料，并通过特定工艺制备得到FEP薄膜，制成FEP-TENG。

FEP薄膜的微观形貌和EDS面扫结果

最后，通过有限元模拟分析了倾斜角和间隙距离对TENG电输出性能的影响。

倾斜角和间隙距离对TENG电输出性能的影响

2 信号输出试验

主要研究了TENG在不同条件下的性能，包括发电性能测试、负载匹配优化、环境适应性测试、机械耐久性测试和储能特性研究。

重点内容包括：1. 发电性能测试：测量开路电压、短路电流及长期稳定性。2. 负载匹配优化：连接不同电阻，计算峰值功率。3. 环境适应性测试：分析湿度对发电的影响。4. 机械耐久性测试：评估TENG的稳定性。5. 储能特性研究：将TENG产生的交流电整流后存储至电容器，并测试其供电能力。

测试平台

同时，介绍了测试平台的关键设备，并对不同TFE和HFP摩尔比的复合发电薄膜进行了性能测试。还研究了环境湿度、负载匹配、外部驱动频率和压力对TENG性能的影响。最后，评估了TENG的持续供电性能。

3 结果与讨论

本章节主要讨论了FEP-TENG在不同条件下的输出特性及其稳定性。FEP-TENG在28∶72摩尔比条件下电输出性能最优，开路电压和短路电流分别达到300 V和50μA，并表现出良好的柔韧性和长期稳定性。环境湿度对FEP-TENG性能有显著影响，湿度增加会导致电输出性能下降。负载匹配优化显示，FEP-TENG在特定负载电阻范围内输出功率密度最高。外部驱动频率对开路电压影响不大，但短路电流随频率增大而增加；驱动压力在一定范围内能提高电输出性能，但超过一定压力后性能趋于饱和。FEP-TENG的储能特性表明，增大面积可以提高电输出能力，并能直接为商用LED和计算器供电。

外部驱动频率和压力对FEP-TENG开路电压和短路电流的影响

不同面积FEP-TENG和电容条件下FEP-TENG的最大充电电压和供能测试结果

03

结论

总结了针对胜利海域环境特点，采用四氟乙烯和六氟丙烯共聚物作为摩擦纳米发电机材料的研究成果。确定了最优结构参数，并找到了FEP-TENG的最佳掺杂比例、输出特性与环境因素的关系，以及最大输出功率密度的条件。

(1) 针对胜利海域环境特点,以四氟乙烯和六氟丙烯共聚物作为摩擦纳米发电机的核心功能材料。通过数值模拟确定了摩擦纳米发电装置的最优结构参数为倾斜角30°，间隙距离10mm。

(2) 通过测试不同掺杂比例下FEP-TENG的输出特性，确定最佳 TFE和HFP摩尔比为28∶72。随着环境相对湿度的增加，FEP-TENG的输出信号减小；随着驱动压力和驱动频率的增大，输出信号增强；当环境湿度为40%、驱动频率为8Hz、驱动压力为5kPa时，FEP-TENG的输出信号最强(开路电压为300V，短路电流为50μA)。随着负载电阻的增大，FEP-TENG的输出功率密度先增大后减小，其中当负载电阻为5MΩ时，FEP-TENG的输出功率密度最大(12208mW/m²)。