纖維素基摩擦納米發(fā)電機(jī)的制備及其在人機(jī)交互與能源收集中的應(yīng)用研究

纖維素濾紙，型號(hào)1001-6508，Grade1-標(biāo)準(zhǔn)級(jí)，英國(guó)Whatman公司；單寧酸、氫氧化鈉、五水合硫酸銅、酒石酸鉀鈉、聚偏二氟乙烯（相對(duì)分子質(zhì)量約18萬(wàn)）、氯鈀酸銨、甲醛（質(zhì)量分?jǐn)?shù)37%）、N,N-二甲基甲酰胺，以上均為分析純，購(gòu)于上海麥克林生化科技股份有限公司。

掃描電子顯微鏡（SEM，Gemini460，德國(guó)卡爾蔡司集團(tuán)，配備能量色散X射線光譜儀）；標(biāo)準(zhǔn)鍵盤測(cè)試機(jī)（NWT1001V10，深圳九維科技有限公司）；力傳感器（ZNHB-P-5，德國(guó)Zwick Roell公司）；示波器（DS1054Z，普源精電科技股份有限公司）；靜電計(jì)（Keithley-6500，美國(guó)泰克公司）；真空烘箱（Memmert VO400，德國(guó)美墨爾特公司）；真空抽濾機(jī)（WIGGENS V300B，德國(guó)維根公司）。

通過(guò)SEM觀察薄膜的表面形貌。使用標(biāo)準(zhǔn)鍵盤測(cè)試機(jī)測(cè)試所制備的摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出摩擦電性能，該儀器提供連續(xù)的動(dòng)態(tài)上下運(yùn)動(dòng)，頻率控制在1~10 Hz。使用示波器測(cè)量摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓，利用靜電計(jì)測(cè)量摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電流。

纖維素濾紙薄膜的形貌微觀結(jié)構(gòu)圖。純纖維素濾紙薄膜呈現(xiàn)出精細(xì)的三維網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，這一獨(dú)特結(jié)構(gòu)不僅為后續(xù)的化學(xué)或物理改性提供了有利條件，也為制備多功能薄膜奠定了結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，聚偏二氟乙烯溶液表現(xiàn)出優(yōu)異的滲透性能，能夠充分浸潤(rùn)纖維素濾紙薄膜的大孔結(jié)構(gòu)。展示了銅納米線網(wǎng)格化纖維素濾紙的SEM圖，通過(guò)與純纖維素濾紙薄膜的對(duì)比，可以明顯觀察到銅涂覆后的纖維素濾紙薄膜表面形貌發(fā)生了顯著變化，銅金屬薄膜呈現(xiàn)出致密且均勻的分布特征，表明涂層具有良好的覆蓋性和一致性。

清晰地揭示了纖維素濾紙薄膜的表面形貌與銅納米線和聚偏二氟乙烯溶液之間的顯著相關(guān)性。在真空過(guò)濾過(guò)程中，銅納米線溶液憑借其高流動(dòng)性，能夠有效地滲透到纖維素濾紙薄膜的多孔結(jié)構(gòu)中，表明聚偏二氟乙烯在纖維素濾紙表面形成了具有多孔結(jié)構(gòu)的薄膜，而聚偏二氟乙烯的高黏性不僅顯著增加了薄膜與摩擦材料之間的有效接觸面積，還使得基于該材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)表現(xiàn)出更優(yōu)異的摩擦電輸出性能。

在初始接觸階段，人體皮膚與聚偏二氟乙烯涂覆的纖維素濾紙表面充分接觸。由于人體皮膚的摩擦電負(fù)性顯著高于聚偏二氟乙烯材料，電子從皮膚表面向聚偏二氟乙烯涂覆的纖維素濾紙轉(zhuǎn)移，使得聚偏二氟乙烯/纖維素濾紙復(fù)合膜表面帶負(fù)電荷，而皮膚表面則積累了等量的正電荷。此時(shí)，2種相反極性的摩擦電荷相互中和，外電路未形成電子流動(dòng)。

在分離階段，當(dāng)皮膚與聚偏二氟乙烯/纖維素濾紙表面逐漸分離時(shí)，摩擦電荷的平衡狀態(tài)被打破。聚偏二氟乙烯/纖維素濾紙表面的負(fù)電荷誘導(dǎo)下方的銅納米線網(wǎng)格化纖維素濾紙薄膜電極產(chǎn)生等量的正電荷，以達(dá)到新的電荷平衡。這一過(guò)程中，電子從銅納米線網(wǎng)格化纖維素濾紙薄膜電極流向地面，形成第一個(gè)輸出電流信號(hào)。

在完全分離階段，隨著聚偏二氟乙烯/纖維素濾紙與皮膚之間的距離不斷增加，聚偏二氟乙烯/纖維素濾紙表面的負(fù)電荷完全被銅納米線網(wǎng)格化，纖維素濾紙電極上感應(yīng)的正電荷屏蔽，系統(tǒng)達(dá)到新的靜電平衡狀態(tài)，此時(shí)不再產(chǎn)生輸出信號(hào)。

在二次接近階段，當(dāng)聚偏二氟乙烯/纖維素濾紙與皮膚再次靠近時(shí)，系統(tǒng)電勢(shì)方向發(fā)生反轉(zhuǎn)。銅納米線網(wǎng)格化纖維素濾紙電極上感應(yīng)的正電荷逐漸減少，從而導(dǎo)致電子自接地端回流至銅納米線網(wǎng)格化纖維素濾紙復(fù)合電極，形成與第一次電流方向相反的第二個(gè)輸出信號(hào)。這一循環(huán)的接觸-分離過(guò)程形成了摩擦納米發(fā)電機(jī)的周期性電輸出，為其能量收集功能提供了理論基礎(chǔ)。

本研究通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)鍵盤測(cè)試機(jī)對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)的摩擦電輸出性能進(jìn)行了定量表征。為系統(tǒng)研究聚偏二氟乙烯涂覆的纖維素濾紙復(fù)合膜對(duì)摩擦納米發(fā)電機(jī)性能的影響規(guī)律，選用厚度0.3 mm的尼龍6薄膜作為正摩擦層替代人體皮膚進(jìn)行測(cè)試。在恒定外加載荷（50 N）和固定頻率（3 Hz）條件下，對(duì)聚偏二氟乙烯涂覆的纖維素濾紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行了系統(tǒng)的電學(xué)性能測(cè)試。

隨著聚偏二氟乙烯涂覆量的增加，摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓和電流呈現(xiàn)明顯的上升趨勢(shì)，這表明聚偏二氟乙烯含量的增加可有效提高器件的輸出性能。當(dāng)聚偏二氟乙烯涂覆量達(dá)到8 mL時(shí)，器件的輸出電壓和電流分別達(dá)最大值198 V和20.6 μA。然而，當(dāng)聚偏二氟乙烯涂覆量繼續(xù)增加時(shí)，摩擦納米發(fā)電機(jī)的摩擦電輸出性能趨于穩(wěn)定，未出現(xiàn)顯著提升。這一現(xiàn)象可歸因于介電常數(shù)的變化規(guī)律：在一定范圍內(nèi)，聚偏二氟乙烯涂覆量的增加會(huì)顯著提高纖維素濾紙復(fù)合膜的介電常數(shù)，從而增強(qiáng)電荷儲(chǔ)存能力。但當(dāng)聚偏二氟乙烯涂覆量超過(guò)8 mL后，復(fù)合膜的介電常數(shù)趨于飽和，導(dǎo)致輸出性能趨于穩(wěn)定。

基于上述實(shí)驗(yàn)結(jié)果和機(jī)理分析，為了在保證器件性能的同時(shí)提高工藝的經(jīng)濟(jì)性，后續(xù)研究將采用聚偏二氟乙烯涂覆量為10 mL的復(fù)合薄膜作為研究對(duì)象，以深入探討其在實(shí)際應(yīng)用中的性能表現(xiàn)。

通過(guò)構(gòu)建10⁵~10⁸ Ω的外接電阻測(cè)試系統(tǒng)，獲得了輸出電壓與負(fù)載電阻的關(guān)系曲線。隨著外部負(fù)載電阻的增大，輸出電壓呈現(xiàn)單調(diào)遞增趨勢(shì)，而電流曲線因歐姆損耗表現(xiàn)出相反的遞減特性。基于實(shí)測(cè)的器件摩擦電輸出特性，通過(guò)P=U²/R（P為輸出功率密度，R為負(fù)載電阻，U為對(duì)應(yīng)的輸出電壓）計(jì)算了摩擦納米發(fā)電機(jī)的瞬時(shí)輸出功率密度。輸出功率密度隨負(fù)載電阻的變化呈現(xiàn)典型的先增大后減小的拋物線特征。根據(jù)最大功率傳輸定理，當(dāng)外部負(fù)載電阻等于摩擦納米發(fā)電機(jī)內(nèi)阻的情況下可實(shí)現(xiàn)功率輸出最大化，本研究中當(dāng)負(fù)載電阻為10 MΩ時(shí)，測(cè)得最大輸出功率密度達(dá)1 038.6 mW/m²。這一優(yōu)異的功率輸出性能使其能夠有效為儲(chǔ)能器件充電，并為各類微型電子設(shè)備供電，顯著拓展了摩擦納米發(fā)電機(jī)的實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景。此外，通過(guò)改變機(jī)械負(fù)載頻率（1~3 Hz）研究了摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出特性演變規(guī)律，在50 N恒定作用力下，輸出電壓隨頻率變化保持相對(duì)穩(wěn)定，而輸出電流則與工作頻率呈正相關(guān)關(guān)系。

本研究采用2種不同纖維素濾紙改性復(fù)合薄膜構(gòu)建的摩擦納米發(fā)電機(jī)展現(xiàn)出優(yōu)異的輸出特性。結(jié)果表明，纖維素濾紙基摩擦納米發(fā)電裝置能夠通過(guò)簡(jiǎn)單的機(jī)械能收集裝置（如手錘）獲取足夠的能量，無(wú)需復(fù)雜電源管理系統(tǒng)即能為多種商用電子設(shè)備提供電能，包括濕度溫度計(jì)、發(fā)光二極管和計(jì)算器等。特別是，該裝置能夠輕松點(diǎn)亮62個(gè)串聯(lián)的發(fā)光二極管，充分證實(shí)了其快速充電能力。這種獨(dú)特的性能特點(diǎn)使其在可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景，為實(shí)現(xiàn)可持續(xù)自供電系統(tǒng)提供了新的技術(shù)途徑。

此外，本研究開(kāi)發(fā)的纖維素濾紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)可產(chǎn)生摩擦電信號(hào)作模擬輸入信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)微控制器進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)換后，由計(jì)算機(jī)嵌入式程序識(shí)別并實(shí)現(xiàn)對(duì)相關(guān)按鍵的精確控制。系統(tǒng)由4個(gè)獨(dú)立的纖維素濾紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)元件構(gòu)成，各元件通過(guò)中高電阻與微控制器的模擬引腳相連。其工作原理為：當(dāng)手指觸摸纖維素濾紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)時(shí)，基于靜電感應(yīng)效應(yīng)，電子從地面流向聚偏二氟乙烯涂層的纖維素濾紙摩擦層，形成感應(yīng)電流，從而產(chǎn)生有效的觸發(fā)信號(hào)。該信號(hào)經(jīng)微控制器處理后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)，最終被計(jì)算機(jī)識(shí)別并執(zhí)行相應(yīng)的虛擬按鍵操作。

本研究將4個(gè)纖維素濾紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)分別顯示為上、下、左、右4個(gè)電腦虛擬按鍵，成功應(yīng)用于網(wǎng)絡(luò)游戲的控制。具體而言，纖維素濾紙通過(guò)手指觸摸產(chǎn)生摩擦電信號(hào)，微控制器對(duì)該信號(hào)進(jìn)行識(shí)別并觸發(fā)相應(yīng)指令，實(shí)現(xiàn)游戲的精準(zhǔn)方向控制。詳細(xì)展示了通過(guò)手指觸摸纖維素濾紙基摩擦納米發(fā)電機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)游戲的操作流程。