纤维素基摩擦纳米发电机的制备及其在人机交互与能源收集中的应用研究

纤维素滤纸，型号1001-6508，Grade1-标准级，英国Whatman公司；单宁酸、氢氧化钠、五水合硫酸铜、酒石酸钾钠、聚偏二氟乙烯（相对分子质量约18万）、氯钯酸铵、甲醛（质量分数37%）、N,N-二甲基甲酰胺，以上均为分析纯，购于上海麦克林生化科技股份有限公司。

扫描电子显微镜（SEM，Gemini460，德国卡尔蔡司集团，配备能量色散X射线光谱仪）；标准键盘测试机（NWT1001V10，深圳九维科技有限公司）；力传感器（ZNHB-P-5，德国Zwick Roell公司）；示波器（DS1054Z，普源精电科技股份有限公司）；静电计（Keithley-6500，美国泰克公司）；真空烘箱（Memmert VO400，德国美墨尔特公司）；真空抽滤机（WIGGENS V300B，德国维根公司）。

通过SEM观察薄膜的表面形貌。使用标准键盘测试机测试所制备的摩擦纳米发电机的输出摩擦电性能，该仪器提供连续的动态上下运动，频率控制在1~10 Hz。使用示波器测量摩擦纳米发电机的输出电压，利用静电计测量摩擦纳米发电机的输出电流。

纤维素滤纸薄膜的形貌微观结构图。纯纤维素滤纸薄膜呈现出精细的三维网络结构，这一独特结构不仅为后续的化学或物理改性提供了有利条件，也为制备多功能薄膜奠定了结构基础。在实验过程中，聚偏二氟乙烯溶液表现出优异的渗透性能，能够充分浸润纤维素滤纸薄膜的大孔结构。展示了铜纳米线网格化纤维素滤纸的SEM图，通过与纯纤维素滤纸薄膜的对比，可以明显观察到铜涂覆后的纤维素滤纸薄膜表面形貌发生了显著变化，铜金属薄膜呈现出致密且均匀的分布特征，表明涂层具有良好的覆盖性和一致性。

清晰地揭示了纤维素滤纸薄膜的表面形貌与铜纳米线和聚偏二氟乙烯溶液之间的显著相关性。在真空过滤过程中，铜纳米线溶液凭借其高流动性，能够有效地渗透到纤维素滤纸薄膜的多孔结构中，表明聚偏二氟乙烯在纤维素滤纸表面形成了具有多孔结构的薄膜，而聚偏二氟乙烯的高黏性不仅显著增加了薄膜与摩擦材料之间的有效接触面积，还使得基于该材料的摩擦纳米发电机表现出更优异的摩擦电输出性能。

在初始接触阶段，人体皮肤与聚偏二氟乙烯涂覆的纤维素滤纸表面充分接触。由于人体皮肤的摩擦电负性显著高于聚偏二氟乙烯材料，电子从皮肤表面向聚偏二氟乙烯涂覆的纤维素滤纸转移，使得聚偏二氟乙烯/纤维素滤纸复合膜表面带负电荷，而皮肤表面则积累了等量的正电荷。此时，2种相反极性的摩擦电荷相互中和，外电路未形成电子流动。

在分离阶段，当皮肤与聚偏二氟乙烯/纤维素滤纸表面逐渐分离时，摩擦电荷的平衡状态被打破。聚偏二氟乙烯/纤维素滤纸表面的负电荷诱导下方的铜纳米线网格化纤维素滤纸薄膜电极产生等量的正电荷，以达到新的电荷平衡。这一过程中，电子从铜纳米线网格化纤维素滤纸薄膜电极流向地面，形成第一个输出电流信号。

在完全分离阶段，随着聚偏二氟乙烯/纤维素滤纸与皮肤之间的距离不断增加，聚偏二氟乙烯/纤维素滤纸表面的负电荷完全被铜纳米线网格化，纤维素滤纸电极上感应的正电荷屏蔽，系统达到新的静电平衡状态，此时不再产生输出信号。

在二次接近阶段，当聚偏二氟乙烯/纤维素滤纸与皮肤再次靠近时，系统电势方向发生反转。铜纳米线网格化纤维素滤纸电极上感应的正电荷逐渐减少，从而导致电子自接地端回流至铜纳米线网格化纤维素滤纸复合电极，形成与第一次电流方向相反的第二个输出信号。这一循环的接触-分离过程形成了摩擦纳米发电机的周期性电输出，为其能量收集功能提供了理论基础。

本研究通过标准键盘测试机对摩擦纳米发电机的摩擦电输出性能进行了定量表征。为系统研究聚偏二氟乙烯涂覆的纤维素滤纸复合膜对摩擦纳米发电机性能的影响规律，选用厚度0.3 mm的尼龙6薄膜作为正摩擦层替代人体皮肤进行测试。在恒定外加载荷（50 N）和固定频率（3 Hz）条件下，对聚偏二氟乙烯涂覆的纤维素滤纸基摩擦纳米发电机进行了系统的电学性能测试。

随着聚偏二氟乙烯涂覆量的增加，摩擦纳米发电机的输出电压和电流呈现明显的上升趋势，这表明聚偏二氟乙烯含量的增加可有效提高器件的输出性能。当聚偏二氟乙烯涂覆量达到8 mL时，器件的输出电压和电流分别达最大值198 V和20.6 μA。然而，当聚偏二氟乙烯涂覆量继续增加时，摩擦纳米发电机的摩擦电输出性能趋于稳定，未出现显著提升。这一现象可归因于介电常数的变化规律：在一定范围内，聚偏二氟乙烯涂覆量的增加会显著提高纤维素滤纸复合膜的介电常数，从而增强电荷储存能力。但当聚偏二氟乙烯涂覆量超过8 mL后，复合膜的介电常数趋于饱和，导致输出性能趋于稳定。

基于上述实验结果和机理分析，为了在保证器件性能的同时提高工艺的经济性，后续研究将采用聚偏二氟乙烯涂覆量为10 mL的复合薄膜作为研究对象，以深入探讨其在实际应用中的性能表现。

通过构建10⁵~10⁸ Ω的外接电阻测试系统，获得了输出电压与负载电阻的关系曲线。随着外部负载电阻的增大，输出电压呈现单调递增趋势，而电流曲线因欧姆损耗表现出相反的递减特性。基于实测的器件摩擦电输出特性，通过P=U²/R（P为输出功率密度，R为负载电阻，U为对应的输出电压）计算了摩擦纳米发电机的瞬时输出功率密度。输出功率密度随负载电阻的变化呈现典型的先增大后减小的抛物线特征。根据最大功率传输定理，当外部负载电阻等于摩擦纳米发电机内阻的情况下可实现功率输出最大化，本研究中当负载电阻为10 MΩ时，测得最大输出功率密度达1 038.6 mW/m²。这一优异的功率输出性能使其能够有效为储能器件充电，并为各类微型电子设备供电，显著拓展了摩擦纳米发电机的实际应用场景。此外，通过改变机械负载频率（1~3 Hz）研究了摩擦纳米发电机的输出特性演变规律，在50 N恒定作用力下，输出电压随频率变化保持相对稳定，而输出电流则与工作频率呈正相关关系。

本研究采用2种不同纤维素滤纸改性复合薄膜构建的摩擦纳米发电机展现出优异的输出特性。结果表明，纤维素滤纸基摩擦纳米发电装置能够通过简单的机械能收集装置（如手锤）获取足够的能量，无需复杂电源管理系统即能为多种商用电子设备提供电能，包括湿度温度计、发光二极管和计算器等。特别是，该装置能够轻松点亮62个串联的发光二极管，充分证实了其快速充电能力。这种独特的性能特点使其在可穿戴电子设备领域展现出广阔的应用前景，为实现可持续自供电系统提供了新的技术途径。

此外，本研究开发的纤维素滤纸基摩擦纳米发电机可产生摩擦电信号作模拟输入信号。该信号经微控制器进行模数转换后，由计算机嵌入式程序识别并实现对相关按键的精确控制。系统由4个独立的纤维素滤纸基摩擦纳米发电机元件构成，各元件通过中高电阻与微控制器的模拟引脚相连。其工作原理为：当手指触摸纤维素滤纸基摩擦纳米发电机时，基于静电感应效应，电子从地面流向聚偏二氟乙烯涂层的纤维素滤纸摩擦层，形成感应电流，从而产生有效的触发信号。该信号经微控制器处理后转换为数字信号，最终被计算机识别并执行相应的虚拟按键操作。

本研究将4个纤维素滤纸基摩擦纳米发电机分别显示为上、下、左、右4个电脑虚拟按键，成功应用于网络游戏的控制。具体而言，纤维素滤纸通过手指触摸产生摩擦电信号，微控制器对该信号进行识别并触发相应指令，实现游戏的精准方向控制。详细展示了通过手指触摸纤维素滤纸基摩擦纳米发电机控制网络游戏的操作流程。