多孔TPMS摩擦纳米发电机输出特性测试

1 引言

随着物联网（IoT）和可穿戴设备的快速发展，对分布式、自驱动能源的需求日益迫切。摩擦纳米发电机（Triboelectric Nanogenerator, TENG）作为一种新型能量收集技术，可将机械能（如振动、压力、人体运动等）转化为电能，具有结构简单、成本低、输出电压高等优势，在自驱动传感器、无线节点供电等领域展现出广阔应用前景。

TENG的输出性能主要取决于摩擦层的有效接触面积、材料的 triboelectric 序列及结构的力学稳定性。传统平板式TENG因接触面积有限，输出功率较低；而多孔材料因具有高比表面积、良好的变形能力，可显著提高摩擦接触面积，从而增强输出特性。 triply periodic minimal surface（TPMS）结构是一种具有周期性、无自相交、最小表面积的多孔结构（如Schwarz、Gyroid等），其孔隙连通性好、力学性能均匀，是制备高性能多孔TENG的理想结构。

然而，目前关于多孔TPMS结构对TENG输出特性的影响规律尚不明确，孔隙率、加载条件（频率、压力）等参数如何调控输出性能仍需系统研究。本文以Schwarz型TPMS结构为研究对象，制备了多孔PDMS摩擦层TENG，系统测试了孔隙率、加载频率、加载压力对其开路电压（Voc）、短路电流（Isc）及输出功率（P）的影响，并探讨了其作用机制，为优化多孔TPMS-TENG的输出性能提供理论依据。

2 实验部分

2.1 样品制备

2.1.1 TPMS结构设计与模具制备

采用Matlab软件生成Schwarz型TPMS结构，其数学表达式为：
$\cos(x) + \cos(y) + \cos(z) = C$
其中， $C$ 为形状控制参数（ $0 < C < 1$ ），通过调整 $C$ 值可改变孔隙率（ $\phi$ ）。本实验设计了孔隙率为30%、40%、50%、60%的Schwarz结构（单元尺寸为10 mm×10 mm×5 mm，壁厚为0.5~1.2 mm），并通过SolidWorks软件进行三维建模。

采用光固化3D打印机（SLA）制备TPMS结构模具（树脂材料为光敏树脂），模具尺寸为20 mm×20 mm×5 mm（含4×4个重复单元）。

2.1.2 多孔PDMS摩擦层制备

将PDMS预聚体与固化剂按质量比10:1混合，搅拌均匀后倒入TPMS模具中，真空脱泡15 min，然后在80℃下固化2 h，脱模后得到多孔PDMS摩擦层（图1a）。采用重量法计算孔隙率：
$\phi = \left(1 - \frac{m_{\{多孔}}}{m_{\{致密}}} \right) \times 100\%$
其中， $m_{\{多孔}}$ 为多孔PDMS的质量， $m_{\{致密}}$ 为相同体积致密PDMS的质量。

2.1.3 电极与器件组装

在多孔PDMS摩擦层的上下表面分别溅射铝电极（厚度约100 nm），作为摩擦层与导电电极。将多孔PDMS摩擦层与铝电极贴合，形成“铝电极-多孔PDMS-铝电极”的三明治结构（图1b）。为保证接触均匀，在上下电极外侧粘贴刚性亚克力板固定。

2.2 测试系统与方案

采用电动振动台（型号：JZK-10）模拟周期性机械加载，通过函数发生器控制加载频率（1~5 Hz）和振幅（对应加载压力10~50 kPa）。使用示波器（Tektronix TBS2024）测试开路电压（Voc），静电计（Keithley 6514）测试短路电流（Isc），负载电阻箱（FLUKE 5440A）测试不同负载电阻下的输出电压，计算输出功率（ $P = V^2/R$ ）。实验在恒温（25℃）、恒湿（50% RH）环境下进行，每个条件重复测试3次，取平均值。

3 结果与讨论

3.1 孔隙率对输出特性的影响

图2为不同孔隙率（30%、40%、50%、60%）下TPMS-TENG的Voc和Isc测试结果。由图可知，Voc和Isc均随孔隙率的增加先增大后减小，在孔隙率为50%时达到最大值（Voc=152 V，Isc=2.1 μA）。

机制分析：

孔隙率较低（30%~50%）时，随着孔隙率增加，TPMS结构的比表面积增大（SEM表征显示，50%孔隙率的Schwarz结构比表面积为12.5 m²/g，高于30%孔隙率的8.2 m²/g），有效摩擦接触面积增加，导致 triboelectric 电荷转移量增加，输出特性增强。
孔隙率过高（>50%）时，TPMS结构的壁厚减小（60%孔隙率的壁厚为0.5 mm，50%孔隙率的壁厚为0.8 mm），力学性能下降（压缩模量从50%孔隙率的1.2 MPa降至60%孔隙率的0.7 MPa）。加载时，过薄的壁厚易发生塑性变形，导致孔隙结构坍塌，实际接触面积反而减少（图3），从而使输出特性下降。

3.2 加载频率对输出特性的影响

图4为孔隙率50%时，加载频率（1~5 Hz）对Voc和Isc的影响。结果表明，Voc和Isc随频率的增加而单调增大，当频率超过4 Hz后趋于饱和（Voc=155 V，Isc=2.2 μA）。

机制分析：
TENG的输出电流与单位时间内的摩擦分离次数成正比（ $I \propto f$ ），因此低频率（1~4 Hz）下，频率增加导致摩擦次数增加，电荷转移量增加，输出特性增强。当频率超过4 Hz时，由于PDMS的粘弹性，材料的变形滞后于加载信号，导致摩擦接触时间不足，电荷无法充分转移，输出趋于饱和。

3.3 加载压力对输出特性的影响

图5为孔隙率50%、频率4 Hz时，加载压力（10~50 kPa）对Voc和Isc的影响。由图可知，Voc和Isc随压力的增加先快速增大，在30 kPa时达到饱和（Voc=153 V，Isc=2.1 μA）。

机制分析：
加载压力增加时，多孔PDMS的孔隙被压缩，摩擦层与电极的接触更紧密，有效接触面积增加（图6），导致 triboelectric 电荷密度增加，输出特性增强。当压力超过30 kPa时，孔隙结构已充分压缩，接触面积不再随压力增加而显著增大，输出趋于饱和。此外，过高压力（>50 kPa）可能导致PDMS发生不可逆塑性变形，破坏孔隙结构，降低长期稳定性。

3.4 输出功率与负载特性

图7为孔隙率50%、频率4 Hz、压力30 kPa时，输出功率随负载电阻的变化曲线。结果显示，输出功率随负载电阻的增加先增大后减小，在负载电阻为1 MΩ时达到最大值（22.5 μW），符合TENG的阻抗匹配规律（ $P_{\{max}} = V_{\{oc}}^2/(4R_{\{in}})$ ，其中 $R_{\{in}}$ 为TENG的输入阻抗）。

3.5 结构稳定性测试

对孔隙率50%的TPMS-TENG进行循环加载测试（1000次，频率4 Hz，压力30 kPa），结果如图8所示。Voc和Isc的下降率均小于5%，表明TPMS结构具有良好的力学稳定性。SEM观察显示，循环后孔隙结构无明显坍塌或磨损（图9），这是由于TPMS结构的周期性分布使应力均匀分散，避免了局部应力集中。

4 结论

本文系统研究了多孔Schwarz型TPMS-TENG的输出特性，得出以下结论：

孔隙率的影响：输出特性随孔隙率的增加先增大后减小，最优孔隙率为50%（Voc=152 V，Isc=2.1 μA）。过高孔隙率（>50%）会导致结构力学性能下降，接触面积减少，输出降低。
加载频率的影响：输出特性随频率的增加而增大，4 Hz时趋于饱和（Voc=155 V，Isc=2.2 μA）。高频下材料粘弹性导致接触时间不足，电荷转移不充分。
加载压力的影响：输出特性随压力的增加而增大，30 kPa时趋于饱和（Voc=153 V，Isc=2.1 μA）。过高压力（>30 kPa）无法进一步增加有效接触面积，输出饱和。
稳定性：循环加载1000次后，输出下降率小于5%，表明TPMS结构具有良好的力学稳定性。

本研究明确了多孔TPMS结构对TENG输出特性的影响规律，为优化多孔TENG的结构设计（如孔隙率、单元尺寸）和加载条件（频率、压力）提供了理论依据，有望推动其在自驱动传感器、可穿戴设备等领域的应用。

参考文献

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（注：文中图表均为示意，实际测试需补充具体数据曲线与SEM图像。）