基于駐極體的柔性納米發電機實驗設計

崔 勇，吳 明，李良亞，富 立

（1. 北京航空航天大學 自動化科學與電氣工程學院，北京 100191；2. 北京航空航天大學 機械與控制工程國家級虛擬仿真實驗教學中心，北京 100191）

納米發電機是微振動能量采集器的一種，可以采集微小的機械能并將其轉化為電能，是便攜式電子產品、傳感器網絡、生物傳感技術和物聯網等領域的研究熱點[1]。駐極體材料在生物醫學、環境工程、能源動力、傳感器等領域應用廣泛，近年來也引起了較多的關注[2]。以柔性駐極體材料為基礎的納米發電機質量輕、柔軟可變形，在自驅動傳感器、MEMS系統微能源利用等領域具有廣闊的應用前景。

目前，我校在校學生對于如納米發電機這類自驅動新能源等前沿技術缺乏較深的認識，相關實驗課程仍處在空白階段。因此，迫切需要一門能夠溝通前沿學科與基礎知識的實驗課程，從而在鞏固提升現有專業能力的同時開拓學生視野，使其了解科學前沿技術的發展。

本文所設計的實驗能夠幫助學生從原理、制備、表征到應用各個角度切身體會學習駐極體式柔性納米發電機的相關知識。通過親手制作的成就感激發學生對科學研究的興趣，增進學生對前沿學科的了解。同時，在實驗環節的設計上融入了基礎學科運用與啟發式問題思考，使學生鞏固相關技能，提高實驗素養，大大增強學生的工程實踐能力與創新思維意識。

1 駐極體發電機原理

駐極體是一種能夠長期儲存空間電荷或電偶極子的電介質材料[3]。將極化之后的駐極體置于 2個導體極板之間時，如圖1所示，上下極板在電場作用下產生感應電荷。由于駐極體與極板之間存在空氣作為電介質，形成了類似于平行板電容器的結構[4]。

圖1 駐極體發電原理模型

當極板與駐極體之間的距離發生變化時，極板附近的電位移矢量將發生變化。由高斯定理可得：

取駐極體發電機的一個微元，在這個微元中，可以認為駐極體與極板間、駐極體內部電場為勻強電場，駐極體和極板的面電荷密度均勻。設上極板與駐極體之間的電容為C1，下極板與駐極體之間的電容為C2，當按壓上極板時，極板與駐極體間的距離減小，此時下極板的電荷變化為：

式中，Qb為下極板電荷總量，Ube為駐極體與下極板之間的電勢差，t為變化時間。

則電流大小為：

式中，i為電流大小，E2為駐極體與下極板之間的電場強度，h2為駐極體與下極板之間的距離。

同理，當釋放上極板時，極板與駐極體之間的距離增大，將產生反向電流。可見，駐極體發電機可感受振動將機械能轉化為電能；其模型為一電流源，電流的大小與電荷密度、極板運動速度成正比。

2 實驗內容

2.1 駐極體極化

本實驗中的駐極體材料由全氟乙烯丙烯共聚物（fluorinated ethylene propylene，FEP）薄膜經電暈放電極化得到[5]。電暈放電產生的離子束轟擊駐極體時，部分離子的電荷將沉積于駐極體材料內，駐極體實現對電荷的存儲[6]。

駐極體極化平臺如圖2所示，由高壓電源供電，通過鐵架臺夾持的放電針進行電暈放電，在電木上鋪設銅箔紙作為接地電極，該平臺適用于較小面積的駐極體極化。

圖2 駐極體極化平臺示意圖

具體極化過程為：將裁剪的大小合適的FEP薄膜置于平臺接地電極上，通過調整鐵架臺夾持架使放電針尖端距FEP薄膜2～3 cm。確定接線無誤且接地良好后，緩慢提升高壓電源輸出電壓對FEP薄膜進行充電。當電壓提升到4 kV左右時，出現電暈放電，開始極化，可觀察到FEP薄膜對接地電極的吸附現象；隨后，需逐漸提升電壓，避免薄膜上積累的空間電荷影響原有電場，使放電針尖端電場強度下降，導致電暈放電無法持續進行；當電壓提升至10 kV左右時即可停止電源輸出，結束極化過程。通過表面電位計可對駐極體的極化效果進行檢驗。

2.2 發電機搭建

駐極體柔性納米發電機模型如圖3所示，采用導體-駐極體-導體的非接觸式結構[7-8]。

圖3 駐極體式柔性納米發電機結構模型

根據實驗對發電機的柔性且透明要求，選取氧化銦錫（ITO）薄膜作為導體極板，通過極板感受外界振動改變與駐極體之間的距離，從而產生感應電流。在 FEP駐極體薄膜極化完成后，使用有一定厚度的PET雙面黏結劑實現對ITO導體薄膜與FEP駐極體薄膜的非接觸式連接，同時使得駐極體薄膜封裝在整體結構內，避免了外界空氣中的水蒸氣對駐極體壽命的影響。

2.3 數碼管演示

為展示駐極體柔性發電機實際效果，實驗采用 8字型液晶數碼管作為發電機負載。由于實驗所制備的駐極體發電機面積較小，其感受振動所產生的電流較弱，因此選擇小功率四位七段數碼管作為演示裝置[9]，學生可依據數碼管使用手冊，自主設計并搭建電路來顯示特定數字或字母作為實驗結果。

3 實驗結果與拓展

依據前述內容進行駐極體柔性發電機制作，所得實驗樣品如圖4所示。由于所選取的ITO薄膜、FEP薄膜等實驗材料均具有較強的柔軟性、輕薄性與透光性，因此實驗所制作而成的駐極體發電機也具備了相應特點。通過觸摸按壓駐極體發電機的極板（圖4(a)），發電機產生電流并通過兩極板上引出的導線輸出至液晶數碼管，使得液晶數碼管上呈現出預先設定的“BUAA”字樣（圖4(b)，其中顯示的BUAA為北京航空航天大學的英文縮寫）。

圖4 駐極體式柔性納米發電機工作演示

在將駐極體發電機與數碼管演示電路連接后的初期，若駐極體薄膜極化充分，可觀察到數碼管出現全段位點亮或點亮持續時間較長的現象，鼓勵學生對此現象進行拓展研究分析其原因。通過在一段時間內反復使用表面電位計對極化后的駐極體薄膜所帶電荷情況進行測量[10]，測量數據如圖5所示，可發現在極化剛完成時，駐極體表面電位極高，且衰減迅速，此時連接演示電路會使駐極體輸出電流較大且自發產生輸出，導致數碼管過度點亮；在極化完成后的10 d內，駐極體表面電位仍呈現較快衰減[11]，直至第14 d后表面電位趨于穩定，穩定階段也是駐極體在多數場合下的正常使用時期。

圖5 駐極體表面電位變化曲線

借助示波器和信號調理電路，學生可對駐極體發電機所產生的輸出波形進行直觀的檢測[12]。圖6為對駐極體發電機進行單次觸摸所記錄的電壓輸出波形，可以看到當按壓駐極體發電機的極板時，產生了較大的正向輸出，當按壓結束極板恢復，輸出電壓逐漸減小至產生反向輸出；按壓動作結束之后，極板自身發生震蕩，發電機也隨之產生對應的輸出波形，與前文提到的駐極體發電原理相符合。

圖6 單次按壓納米發電機的輸出波形

4 結語

對駐極體式柔性納米發電機的實物制作和性能表征，能夠激發學生對駐極體材料、納米發電機等知識的興趣，使其對于這一前沿領域具有初步的了解，拓寬學生未來發展的方向。在實驗過程中，學生鞏固并運用了模擬電路、數字電路、材料學、電磁學等相關知識，培養了學生在多學科空間思考問題的習慣，增強了學生的工程實踐能力。通過設置啟發式的實驗教學內容，提升了學生自主分析與解決問題的能力，培養了學生的基礎科研素養。