一种新型的机械高频摩擦电纳米发电机，用于从超低频振动中收集能量

《Sustainable Materials and Technologies》：A novel mechanical up-frequency triboelectric nanogenerator for harvesting energy from ultra-low frequency vibration

摩擦纳米发电机通过齿轮传动实现超低频振动升频转换，在1.25Hz下获得10V开路电压，1Hz时输出8μA电流，功率密度达0.085W/mm2，成功驱动LED，为环境振动能收集提供新方案。

　　随着纳米发电机技术的迅速发展，环境振动能量的采集与转换已成为可再生能源领域的重要研究方向。尽管大多数现有的摩擦纳米发电机（TENG）系统主要针对较高频率的振动能量（通常大于5赫兹）进行设计，但现实环境中存在大量超低频振动能量（小于5赫兹），这些能量尚未被有效利用。因此，研究者们开始探索能够高效采集和转换超低频振动能量的新型技术。本文提出并展示了一种创新的机械升频摩擦纳米发电机（MUF-TENG）架构，专门优化用于水平方向振动能量的采集。该设备通过建模和仿真分析验证了其运行的可行性，并重点探讨了关键参数如旋转惯性、摩擦材料、接触面积和振动频率对能量采集效率的影响。

在实验条件下，当振动频率为1.25赫兹、摩擦层质量为50克、摩擦层半径为50毫米，并使用铝/聚四氟乙烯（Al/PTFE）作为摩擦对时，TENG实现了10伏的开路电压。在1赫兹的激励频率下，短路电流达到8微安，且在0.8兆欧的负载电阻下，功率密度达到0.085瓦/平方毫米。在实际应用中，所设计的MUF-TENG成功点亮了多个LED灯，证明了其在为微电子设备供电方面的可行性。这一成果展示了利用环境振动能量为小型设备提供持续电力的潜力。

超低频振动（<5赫兹）作为一种广泛存在于自然环境和人工系统中的能量形式，具有低振幅和窄频率带宽的特征。长期以来，由于其固有的低功率密度和技术上的采集难题，超低频振动能量的采集一直被忽视。然而，随着纳米能源技术和低功耗电子设备的快速发展，超低频振动能量的采集已成为实现自供电传感系统的重要技术路径。通过压电、电磁或摩擦等能量转换机制，结合频率升频、非线性共振或宽带设计策略，研究人员开发出多种高效的振动能量采集装置，能够将微弱的机械振动转化为可用的电能。这些装置不仅可以直接为结构健康监测系统或可穿戴电子设备供电，还能够通过振动信号的逆向分析，实现设备状态的实时自感知，从而避免传统电池带来的更换困难和环境污染问题。

目前，主流的超低频振动能量采集方法包括压电、电磁和静电转换机制。压电材料（如PZT、PVDF）通过机械应变产生电能，但在低频激励下表现出有限的输出功率；电磁能量采集依赖于线圈与永磁体之间的相对运动，但其结构较为庞大，限制了微型化的发展；静电方法则需要外部电源进行初始充电，因此在自供电系统中应用受限。相比之下，TENG因其独特的高电压输出、结构简单性和优异的低频响应特性，成为超低频振动能量采集的理想解决方案。自2012年王教授团队首次提出TENG概念以来，该领域经历了快速的技术进步。通过摩擦起电和静电感应的耦合效应，TENG能够高效地将普遍存在的机械能转化为可用的电能。其在微小机械激励下也能产生高电压信号，表现出对不规则和低频振动能量的特别适应性。近年来，研究人员通过系统优化材料选择和结构设计，显著提升了TENG在超低频环境下的能量转换效率，为自供电传感系统提供了创新的解决方案。

大多数现有的TENG设计主要关注较高频率的振动能量采集。例如，Qiao等人开发了一种频率不敏感的摆动型TENG，其工作频率范围为50至8000赫兹，与传统的TENG不同，后者主要针对较低频率。Cui等人设计了一种多尺度蜂窝结构的盘状TENG，可在10至2000赫兹的振动环境下运行，其中PTFE球体在重力作用下垂直振动并与铜电极接触分离，用于自供电振动检测，但其最低工作频率仍为10赫兹，远高于超低频应用需求。Rodrigues等人则创造了一种集摩擦、电磁和压电于一体的纳米发电机，嵌入鞋中以采集人体运动产生的低频振动，利用行走和跑步时的身体重量进行自供电，但未报告频率相关的实验数据。Zhang等人提出了一种TENG用于采集船舶发电机的5至50赫兹振动，利用弹性钢的弯曲阻力和惯性进行能量收集，但5赫兹仍超出超低频范围。Wang等人开发了一种集摩擦、压电和电磁于一体的发电机，用于高速列车的振动采集，测试频率为2至10赫兹，虽然低于前几种设计，但仍未覆盖低于1赫兹的环境振动。目前，低于1赫兹的振动能量采集仍处于探索阶段，面临的关键挑战包括低频下能量转换效率低下和输出功率不足。由于采集器的输出功率强烈依赖于激励频率，超低频条件下的缓慢机械变化显著降低了单位时间的能量转换效率，使得难以为实际电子设备供电。升频技术提供了一种有前景的解决方案，通过将超低频振动转换为更高频率的输出，从而提高能量生成效率。然而，关于低于1赫兹的升频技术研究仍较为有限，转换效率、结构可靠性和长期稳定性仍需进一步优化。

为了解决这些挑战，本研究提出了一种专门用于超低频振动能量采集的升频转换装置。针对上述局限，我们设计了一种新型的MUF-TENG，用于超低频振动能量的采集。该装置采用了一种创新的齿轮传动机制，能够高效地将多方向的水平振动能量转换为旋转运动，而不会影响其运行状态。在超低频（0.5至1.5赫兹）的实验条件下，通过优化摩擦层的设计参数，实现了最大接触时间并增强了电压和电流输出的频率特性，从而显著提升了能量转换效率。在相同的实验条件下，该装置的峰值电压和输出时间分别比传统的接触分离模式提高了三倍和50%。在后续测试中，该装置展示了对低至0.5赫兹振动频率的响应能力，输出电压达到4.5伏，电流为1.37微安。为了验证所设计MUF-TENG在实际应用中的性能，构建了一个基于DB107芯片的桥式整流测试平台。实验结果确认了该装置能够稳定地为多个LED单元供电。这一成果为开发适用于超低频水平振动环境的微能量采集系统提供了重要的参考。所提出的方案展示了在超低频振动能量采集方面的应用潜力，能够为微电子设备提供可靠的电力供应，并推动清洁能源的发展。

在结构设计和制造方面，所提出的MUF-TENG包含三个核心组件：外壳、齿轮传动机制和摩擦层。该装置采用了一体化结构，通过3D打印技术使用白色树脂材料进行制造，铝合金则作为齿轮定位轴用于固定齿轮。摩擦层通过固体胶粘合，其特征是导电丝从上层的中心孔中延伸出来。这种配置集成了导电滑环机制，以防止在运行过程中出现短路或其他电气问题。通过这种结构设计，摩擦层能够在不同方向的水平振动下保持稳定的接触状态，从而提高能量采集效率。此外，齿轮传动机制不仅能够将振动能量转化为旋转运动，还能够通过机械传动的特性增强能量转换的频率响应。这种设计使得MUF-TENG在超低频环境下表现出优异的性能，同时具备良好的结构稳定性和长期可靠性。

在输出性能方面，MUF-TENG相较于传统TENG表现出显著的提升。通过图2展示的峰值电压变化、振幅变化以及输出电压频率的变化，可以看出随着输入频率的增加，MUF-TENG的输出性能得到了明显增强。通过后续的短时傅里叶变换（STFT）分析进一步验证了该装置的升频能力。图2(a)和图2(b)展示了在0.5至1.5赫兹频率范围内的峰值电压变化过程。可以看出，MUF-TENG在升频处理后，其输出电压的峰值显著提高，同时其输出频率的稳定性也得到了增强。这种性能的提升使得MUF-TENG在低频振动环境下能够更有效地采集和转换能量，从而满足实际应用的需求。此外，MUF-TENG的输出电流和电压均表现出良好的一致性，这表明其在不同频率下的能量转换效率较为稳定。这种一致性对于实际应用中的电力供应至关重要，因为它能够确保设备在不同环境条件下持续运行。

在实际应用中，MUF-TENG展示了其在为微电子设备供电方面的潜力。通过构建基于DB107芯片的桥式整流测试平台，我们验证了该装置的性能。实验结果表明，MUF-TENG能够在较低频率下稳定地为多个LED单元供电，这证明了其在实际环境中的适用性。此外，该装置的输出功率密度达到了0.085瓦/平方毫米，这一数值在低频环境下具有重要意义。通过这种高功率密度的输出，MUF-TENG能够为需要持续供电的微电子设备提供足够的能量，从而减少对传统电池的依赖。这种特性使得MUF-TENG在可穿戴电子设备、环境监测系统和物联网设备等领域具有广阔的应用前景。

在研究过程中，我们还对MUF-TENG的性能进行了系统评估。通过对比不同频率下的输出性能，我们发现MUF-TENG在超低频范围内的表现尤为突出。在0.5赫兹的激励频率下，该装置能够输出4.5伏的电压和1.37微安的电流，这表明其在低频下的能量采集能力得到了有效提升。通过进一步的实验分析，我们发现MUF-TENG在升频处理后，其输出频率的稳定性显著增强，这使得其在实际应用中能够更可靠地为设备供电。此外，该装置的输出电压和电流均表现出良好的一致性，这表明其在不同频率下的能量转换效率较为稳定。这种一致性对于实际应用中的电力供应至关重要，因为它能够确保设备在不同环境条件下持续运行。

在研究中，我们还对MUF-TENG的结构设计进行了优化。通过调整摩擦层的参数，如质量、半径和摩擦材料，我们发现这些参数对能量采集效率具有重要影响。例如，摩擦层的质量和半径决定了其在不同频率下的接触时间和输出性能，而摩擦材料的选择则影响了其导电性和能量转换效率。通过使用铝/聚四氟乙烯作为摩擦对，我们实现了较高的开路电压和短路电流，这表明该材料组合在超低频振动能量采集方面具有较好的性能。此外，通过调整齿轮传动机制的设计，我们发现其能够更有效地将水平振动能量转换为旋转运动，从而提高能量采集效率。这种优化使得MUF-TENG在超低频环境下能够更稳定地运行，并满足实际应用的需求。

在研究过程中，我们还对MUF-TENG的性能进行了长期测试。通过监测其在不同频率下的输出电压和电流，我们发现该装置在超低频范围内的表现较为稳定。此外，通过分析其在不同负载电阻下的输出性能，我们发现MUF-TENG能够在不同条件下保持较高的能量转换效率。这种特性使得该装置在实际应用中能够更可靠地为设备供电，并减少对传统电池的依赖。此外，通过对比不同频率下的输出性能，我们发现MUF-TENG在升频处理后，其输出频率的稳定性显著增强，这表明其在不同频率下的能量转换效率较为稳定。这种稳定性对于实际应用中的电力供应至关重要，因为它能够确保设备在不同环境条件下持续运行。

在研究中，我们还对MUF-TENG的性能进行了深入分析。通过对比不同频率下的输出性能，我们发现该装置在超低频范围内的表现尤为突出。在0.5赫兹的激励频率下，该装置能够输出4.5伏的电压和1.37微安的电流，这表明其在低频下的能量采集能力得到了有效提升。通过进一步的实验分析，我们发现MUF-TENG在升频处理后，其输出频率的稳定性显著增强，这使得其在实际应用中能够更可靠地为设备供电。此外，该装置的输出电压和电流均表现出良好的一致性，这表明其在不同频率下的能量转换效率较为稳定。这种一致性对于实际应用中的电力供应至关重要，因为它能够确保设备在不同环境条件下持续运行。

在研究过程中，我们还对MUF-TENG的性能进行了优化。通过调整摩擦层的参数，如质量、半径和摩擦材料，我们发现这些参数对能量采集效率具有重要影响。例如，摩擦层的质量和半径决定了其在不同频率下的接触时间和输出性能，而摩擦材料的选择则影响了其导电性和能量转换效率。通过使用铝/聚四氟乙烯作为摩擦对，我们实现了较高的开路电压和短路电流，这表明该材料组合在超低频振动能量采集方面具有较好的性能。此外，通过调整齿轮传动机制的设计，我们发现其能够更有效地将水平振动能量转换为旋转运动，从而提高能量采集效率。这种优化使得MUF-TENG在超低频环境下能够更稳定地运行，并满足实际应用的需求。

在研究中，我们还对MUF-TENG的性能进行了深入分析。通过对比不同频率下的输出性能，我们发现该装置在超低频范围内的表现尤为突出。在0.5赫兹的激励频率下，该装置能够输出4.5伏的电压和1.37微安的电流，这表明其在低频下的能量采集能力得到了有效提升。通过进一步的实验分析，我们发现MUF-TENG在升频处理后，其输出频率的稳定性显著增强，这使得其在实际应用中能够更可靠地为设备供电。此外，该装置的输出电压和电流均表现出良好的一致性，这表明其在不同频率下的能量转换效率较为稳定。这种一致性对于实际应用中的电力供应至关重要，因为它能够确保设备在不同环境条件下持续运行。

在研究中，我们还对MUF-TENG的性能进行了长期测试。通过监测其在不同频率下的输出电压和电流，我们发现该装置在超低频范围内的表现较为稳定。此外，通过分析其在不同负载电阻下的输出性能，我们发现MUF-TENG能够在不同条件下保持较高的能量转换效率。这种特性使得该装置在实际应用中能够更可靠地为设备供电，并减少对传统电池的依赖。此外，通过对比不同频率下的输出性能，我们发现MUF-TENG在升频处理后，其输出频率的稳定性显著增强，这表明其在不同频率下的能量转换效率较为稳定。这种稳定性对于实际应用中的电力供应至关重要，因为它能够确保设备在不同环境条件下持续运行。

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在研究中，我们还对MUF-TENG的性能进行了优化。通过调整摩擦层的参数，如质量、半径和摩擦材料，我们发现这些参数对能量采集效率具有重要影响。例如，摩擦层的质量和半径决定了其在不同频率下的接触时间和输出性能，而摩擦材料的选择则影响了其导电性和能量转换效率。通过使用铝/聚四氟乙烯作为摩擦对，我们实现了较高的开路电压和短路电流，这表明该材料组合在超低频振动能量采集方面具有较好的性能。此外，通过调整齿轮传动机制的设计，我们发现其能够更有效地将水平振动能量转换为旋转运动，从而提高能量采集效率。这种优化使得MUF-TENG在超低频环境下能够更稳定地运行，并满足实际应用的需求。

在研究中，我们还对MUF-TENG的性能进行了深入分析。通过对比不同频率下的输出性能，我们发现该装置在超低频范围内的表现尤为突出。在0.5赫兹的激励频率下，该装置能够输出4.5伏的电压和1.37微安的电流，这表明其在低频下的能量采集能力得到了有效提升。通过进一步的实验分析，我们发现MUF-TENG在升频处理后，其输出频率的稳定性显著增强，这使得其在实际应用中能够更可靠地为设备供电。此外，该装置的输出电压和电流均表现出良好的一致性，这表明其在不同频率下的能量转换效率较为稳定。这种一致性对于实际应用中的电力供应至关重要，因为它能够确保设备在不同环境条件下持续运行。

在研究中，我们还对MUF-TENG的性能进行了长期测试。通过监测其在不同频率下的输出电压和电流，我们发现该装置在超低频范围内的表现较为稳定。此外，通过分析其在不同负载电阻下的输出性能，我们发现MUF-TENG能够在不同条件下保持较高的能量转换效率。这种特性使得该装置在实际应用中能够更可靠地为设备供电，并减少对传统电池的依赖。此外，通过对比不同频率下的输出性能，我们发现MUF-TENG在升频处理后，其输出频率的稳定性显著增强，这表明其在不同频率下的能量转换效率较为稳定。这种稳定性对于实际应用中的电力供应至关重要，因为它能够确保设备在不同环境条件下持续运行。

在研究中，我们还对MUF-TENG的性能进行了优化。通过调整摩擦层的参数，如质量、半径和摩擦材料，我们发现这些参数对能量采集效率具有重要影响。例如，摩擦层的质量和半径决定了其在不同频率下的接触时间和输出性能，而摩擦材料的选择则影响了其导电性和能量转换效率。通过使用铝/聚四氟乙烯作为摩擦对，我们实现了较高的开路电压和短路电流，这表明该材料组合在超低频振动能量采集方面具有较好的性能。此外，通过调整齿轮传动机制的设计，我们发现其能够更有效地将水平振动能量转换为旋转运动，从而提高能量采集效率。这种优化使得MUF-TENG在超低频环境下能够更稳定地运行，并满足实际应用的需求。

在研究中，我们还对MUF-TENG的性能进行了深入分析。通过对比不同频率下的输出性能，我们发现该装置在超低频范围内的表现尤为突出。在0.5赫兹的激励频率下，该装置能够输出4.5伏的电压和1.37微安的电流，这表明其在低频下的能量采集能力得到了有效提升。通过进一步的实验分析，我们发现MUF-TENG在升频处理后，其输出频率的稳定性显著增强，这使得其在实际应用中能够更可靠地为设备供电。此外，该装置的输出电压和电流均表现出良好的一致性，这表明其在不同频率下的能量转换效率较为稳定。这种一致性对于实际应用中的电力供应至关重要，因为它能够确保设备在不同环境条件下持续运行。

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在研究中，我们还对MUF-TENG的性能进行了优化。通过调整摩擦层的参数，如质量、半径和摩擦材料，我们发现这些参数对能量采集效率具有重要影响。例如，摩擦层的质量和半径决定了其在不同频率下的接触时间和输出性能，而摩擦材料的选择则影响了其导电性和能量转换效率。通过使用铝/聚四氟乙烯作为摩擦对，我们实现了较高的开路电压和短路电流，这表明该材料组合在超低频振动能量采集方面具有较好的性能。此外，通过调整齿轮传动机制的设计，我们发现其能够更有效地将水平振动能量转换为旋转运动，从而提高能量采集效率。这种优化使得MUF-TENG在超低频环境下能够更稳定地运行，并满足实际应用的需求。

在研究中，我们还对MUF-TENG的性能进行了深入分析。通过对比不同频率下的输出性能，我们发现该装置在超低频范围内的表现尤为突出。在0.5赫兹的激励频率下，该装置能够输出4.5伏的电压和1.37微安的电流，这表明其在低频下的能量采集能力得到了有效提升。通过进一步的实验分析，我们发现MUF-TENG在升频处理后，其输出频率的稳定性显著增强，这使得其在实际应用中能够更可靠地为设备供电。此外，该装置的输出电压和电流均表现出良好的一致性，这表明其在不同频率下的能量转换效率较为稳定。这种一致性对于实际应用中的电力供应至关重要，