崔 勇，吴 明，李良亚，富 立

（1. 北京航空航天大学 自动化科学与电气工程学院，北京 100191；2. 北京航空航天大学 机械与控制工程国家级虚拟仿真实验教学中心，北京 100191）

纳米发电机是微振动能量采集器的一种，可以采集微小的机械能并将其转化为电能，是便携式电子产品、传感器网络、生物传感技术和物联网等领域的研究热点[1]。驻极体材料在生物医学、环境工程、能源动力、传感器等领域应用广泛，近年来也引起了较多的关注[2]。以柔性驻极体材料为基础的纳米发电机质量轻、柔软可变形，在自驱动传感器、MEMS系统微能源利用等领域具有广阔的应用前景。

目前，我校在校学生对于如纳米发电机这类自驱动新能源等前沿技术缺乏较深的认识，相关实验课程仍处在空白阶段。因此，迫切需要一门能够沟通前沿学科与基础知识的实验课程，从而在巩固提升现有专业能力的同时开拓学生视野，使其了解科学前沿技术的发展。

本文所设计的实验能够帮助学生从原理、制备、表征到应用各个角度切身体会学习驻极体式柔性纳米发电机的相关知识。通过亲手制作的成就感激发学生对科学研究的兴趣，增进学生对前沿学科的了解。同时，在实验环节的设计上融入了基础学科运用与启发式问题思考，使学生巩固相关技能，提高实验素养，大大增强学生的工程实践能力与创新思维意识。

1 驻极体发电机原理

驻极体是一种能够长期储存空间电荷或电偶极子的电介质材料[3]。将极化之后的驻极体置于 2个导体极板之间时，如图1所示，上下极板在电场作用下产生感应电荷。由于驻极体与极板之间存在空气作为电介质，形成了类似于平行板电容器的结构[4]。

图1 驻极体发电原理模型

当极板与驻极体之间的距离发生变化时，极板附近的电位移矢量将发生变化。由高斯定理可得：

取驻极体发电机的一个微元，在这个微元中，可以认为驻极体与极板间、驻极体内部电场为匀强电场，驻极体和极板的面电荷密度均匀。设上极板与驻极体之间的电容为C1，下极板与驻极体之间的电容为C2，当按压上极板时，极板与驻极体间的距离减小，此时下极板的电荷变化为：

式中，Qb为下极板电荷总量，Ube为驻极体与下极板之间的电势差，t为变化时间。

则电流大小为：

式中，i为电流大小，E2为驻极体与下极板之间的电场强度，h2为驻极体与下极板之间的距离。

同理，当释放上极板时，极板与驻极体之间的距离增大，将产生反向电流。可见，驻极体发电机可感受振动将机械能转化为电能；其模型为一电流源，电流的大小与电荷密度、极板运动速度成正比。

2 实验内容

2.1 驻极体极化

本实验中的驻极体材料由全氟乙烯丙烯共聚物（fluorinated ethylene propylene，FEP）薄膜经电晕放电极化得到[5]。电晕放电产生的离子束轰击驻极体时，部分离子的电荷将沉积于驻极体材料内，驻极体实现对电荷的存储[6]。

驻极体极化平台如图2所示，由高压电源供电，通过铁架台夹持的放电针进行电晕放电，在电木上铺设铜箔纸作为接地电极，该平台适用于较小面积的驻极体极化。

图2 驻极体极化平台示意图

具体极化过程为：将裁剪的大小合适的FEP薄膜置于平台接地电极上，通过调整铁架台夹持架使放电针尖端距FEP薄膜2～3 cm。确定接线无误且接地良好后，缓慢提升高压电源输出电压对FEP薄膜进行充电。当电压提升到4 kV左右时，出现电晕放电，开始极化，可观察到FEP薄膜对接地电极的吸附现象；随后，需逐渐提升电压，避免薄膜上积累的空间电荷影响原有电场，使放电针尖端电场强度下降，导致电晕放电无法持续进行；当电压提升至10 kV左右时即可停止电源输出，结束极化过程。通过表面电位计可对驻极体的极化效果进行检验。

2.2 发电机搭建

驻极体柔性纳米发电机模型如图3所示，采用导体-驻极体-导体的非接触式结构[7-8]。

图3 驻极体式柔性纳米发电机结构模型

根据实验对发电机的柔性且透明要求，选取氧化铟锡（ITO）薄膜作为导体极板，通过极板感受外界振动改变与驻极体之间的距离，从而产生感应电流。在 FEP驻极体薄膜极化完成后，使用有一定厚度的PET双面黏结剂实现对ITO导体薄膜与FEP驻极体薄膜的非接触式连接，同时使得驻极体薄膜封装在整体结构内，避免了外界空气中的水蒸气对驻极体寿命的影响。

2.3 数码管演示

为展示驻极体柔性发电机实际效果，实验采用 8字型液晶数码管作为发电机负载。由于实验所制备的驻极体发电机面积较小，其感受振动所产生的电流较弱，因此选择小功率四位七段数码管作为演示装置[9]，学生可依据数码管使用手册，自主设计并搭建电路来显示特定数字或字母作为实验结果。

3 实验结果与拓展

依据前述内容进行驻极体柔性发电机制作，所得实验样品如图4所示。由于所选取的ITO薄膜、FEP薄膜等实验材料均具有较强的柔软性、轻薄性与透光性，因此实验所制作而成的驻极体发电机也具备了相应特点。通过触摸按压驻极体发电机的极板（图4(a)），发电机产生电流并通过两极板上引出的导线输出至液晶数码管，使得液晶数码管上呈现出预先设定的“BUAA”字样（图4(b)，其中显示的BUAA为北京航空航天大学的英文缩写）。

图4 驻极体式柔性纳米发电机工作演示

在将驻极体发电机与数码管演示电路连接后的初期，若驻极体薄膜极化充分，可观察到数码管出现全段位点亮或点亮持续时间较长的现象，鼓励学生对此现象进行拓展研究分析其原因。通过在一段时间内反复使用表面电位计对极化后的驻极体薄膜所带电荷情况进行测量[10]，测量数据如图5所示，可发现在极化刚完成时，驻极体表面电位极高，且衰减迅速，此时连接演示电路会使驻极体输出电流较大且自发产生输出，导致数码管过度点亮；在极化完成后的10 d内，驻极体表面电位仍呈现较快衰减[11]，直至第14 d后表面电位趋于稳定，稳定阶段也是驻极体在多数场合下的正常使用时期。

图5 驻极体表面电位变化曲线

借助示波器和信号调理电路，学生可对驻极体发电机所产生的输出波形进行直观的检测[12]。图6为对驻极体发电机进行单次触摸所记录的电压输出波形，可以看到当按压驻极体发电机的极板时，产生了较大的正向输出，当按压结束极板恢复，输出电压逐渐减小至产生反向输出；按压动作结束之后，极板自身发生震荡，发电机也随之产生对应的输出波形，与前文提到的驻极体发电原理相符合。

图6 单次按压纳米发电机的输出波形

4 结语

对驻极体式柔性纳米发电机的实物制作和性能表征，能够激发学生对驻极体材料、纳米发电机等知识的兴趣，使其对于这一前沿领域具有初步的了解，拓宽学生未来发展的方向。在实验过程中，学生巩固并运用了模拟电路、数字电路、材料学、电磁学等相关知识，培养了学生在多学科空间思考问题的习惯，增强了学生的工程实践能力。通过设置启发式的实验教学内容，提升了学生自主分析与解决问题的能力，培养了学生的基础科研素养。