Comsol纳米摩擦发电机TENG特性模拟

1. 纳米摩擦发电机原理

      纳米发电机是一种将微小物理变化引起的机械能/热能转换成电能的技术装置。纳米发电机目前有 3 种典型的技术路径：压电式、摩擦电式以及热释电式。其中摩擦电纳米发电机（TENG）能够将机械能转换成电能。TENG 是一种基于纳米级摩擦电效应的能够将外界环境的机械能转换成电能的能量收集器件。

      TENG 的工作原理：两个聚合物薄片内表面由于摩擦电效应通过周期性的接触-分离而带有电性相反的摩擦电荷，摩擦电荷会进一步地诱导出周期性的电势差变化。当机械振动施加于器件上，使得器件弯曲或者受压缩，两种聚合物层的内表面会紧密接触并发生电荷转移，从而使得一个聚合物的内表面带正电，另一个聚合物的内表面带负电。这其实就是摩擦电效应。当形变被释放的时候，两个带相反电荷的表面就会自动分开，相反的摩擦电荷将会在两个面之间产生一个电场，从而在两个电极之间形成一个电势差。为了屏蔽这个电势差，电子就会被驱动着经过外电路从一个电极流到另一个电极。在这个过程中产生的电流将持续，直到两个电极的电势再次达到相等。随后，当两个薄片再次向对方压缩时，摩擦电荷诱导的电势差开始降低到零，转移的电荷将通过外电路流回，从而产生另一个方向相反的电流脉冲。当这种周期性的机械形变持续时，交变电流信号将会持续产生。

2. 模型简介

      搭建了一个纳米摩擦发电机三维几何模型，使用 Comsol软件对TENG的三维模型进行电势-电场仿真。仿真的状态为稳态仿真，即假设薄膜基底材料已经与金属电极进行了充分接触，薄膜所带电荷量达到饱和状态。具体计算模型和材料参数设置如图2和3所示。

3. 物理场边界条件

      在模拟空间电势随着TENG运动的变化时，基底材料薄膜固定不变，空间电势将随着 金属电极位置的变化而变化。物理场及边界条件设置如图4所示，网格剖分及质量分布如图5所示。

4. 结果展示

      计算得到纳米摩擦发电机随金属电极距离变化的的电势、电场、XZ截面电势-电场以及中心点电势-电场分布如下所示。