CN103178744B - 一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机 - Google Patents
一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机，在转子外侧相对应位置上设置有一对突起的扣罩式摩擦层。在外壳内侧相对应位置上设置有一对突起的扣罩式压电层。在外壳内侧设置有相对应的一对磁极。本发明将基于压电的能量采集方式的高电量特性，与基于摩擦的能量采集方式的高电压特性，以及基于电磁的能量采集方式的连续高输出特性相结合。本发明在摩擦材料表面制备了微纳米阵列结构，极大地提高了摩擦效率和有效摩擦面积，从而极大地提高了输出。本发明利用转子转动同时实现压电输出、摩擦输出和电磁输出，从而可以轻松地采集风能和水能，提供了一种新型的从大自然采集能量的方式。本发明加工工艺简单，成本低廉，产率高，易于产业化。
Description
技术领域
本发明涉及微加工技术领域，特别涉及一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机。
背景技术
进入二十一世纪以来，随着人口的快速增长和社会经济的迅猛发展，能源问题业已成为限制人类社会发展的桎梏。随着储量有限的传统化石燃料（煤、石油和天然气等）日益消耗殆尽，国内外研究人员纷纷把目光投向各种新型能量，其中，专为微小型器件和系统供能的纳米发电机一经提出，即受到广泛持续的关注，被誉为引领微纳米能源发展的主导，是解决能源危机的有效手段。2006年美国佐治亚理工学院王中林教授研究组利用氧化锌纳米线将机械能转化成电能，成功实现了压电式纳米发电机[Zhonglin Wang,et al.Science,vol.312,pp.5771,2006；Xudong Wang,et al.Science,vol.316,pp.5821,2007；Yong Qin,etal.Nature,vol.451,pp.7180,2008]，并首次提出了纳米发电机的概念。随后，基于压电特性[Liwei Lin,et al.Nano Lett.,vol.10,pp.726,2010]、基于摩擦特性[Zhonglin Wang,et al.Nano energy,vol.1,pp.328,2012；Haixia Zhang,et al,Nano Lett.,vol.13,pp. 1168,2013]和基于热释电特性[Zhonglin Wang,et al,Nano Lett.,vol.12,pp.2833,2012]等的纳米发电机被陆续研制成功。但上述基于单一特性的纳米发电机，均受到不同的制约和限制，如：基于压电特性的纳米发电机输出电量高，充电能力强，但输出电压不高；基于摩擦特性的纳米发电机输出电压高，但输出电流小，且输出脉冲宽度窄，充电能力弱；基于热释电的纳米发电机，响应速度慢，输出小。
为解决上述问题，收集多种类型能量的复合发电机被研制出来[ZhonglinWang,et al,Nano Lett.,vol.13,pp.803,2013]。复合发电机集成了不同能量采集方式的优点，通过互补的方式实现高性能纳米发电机。但传统复合纳米发电机输出性能仍然不高，无法实现持续供能，且供电充电能力弱，需要外接电路（如整流滤波电路等）才能供给微电子器件和系统，无法实现直接供能，因此远远无法满足微系统的供能需求。目前，实现压电、摩擦和电磁这三种能量采集方式一体集成的复合纳米发电机还未见报道。此外，各类已有纳米发电机主要采集人体运动等低频机械能，采集自然界中储量丰富的可再生能量（如风能、水能等）还未见报道。
发明内容
本发明的目的在于提出一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机，将三种能量采集方式—压电、摩擦和电磁，结合在一起，从而实现高性能纳米发电机。利用压电式纳米发电机高电量，与摩擦式纳米发电机高电压，以及电磁式连续高输出的优势互补，形成压电摩擦电磁复合纳米发电机，解决了传统单一形式及复合形式纳米发电机输出功率小的缺陷。通过在摩擦材料表面制备微纳米结构，增加了有效摩擦面积，进一步提高了器件输出性能。利用转子旋转带动摩擦材料实现摩擦，且同时实现对压电材料的挤压，以及线圈切割磁极间磁感应线，从而轻易收集风能水能等储量巨大的清洁能源，且实现连续能量输出。
为达到上述目的，本发明提出的一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机，包括外壳，转子。在转子外侧相对应位置上，沿轴向设置有一对突起的扣罩式摩擦层。在外壳内侧相对应位置上，沿轴向也设置有一对突起的扣罩式压电层。同时，在外壳内侧，位于所述的一对压电层之间的位置，设置有相对应的一对磁极。
本发明的技术优势是：
1、本发明提出的一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机，将基于压电的能量采集方式的高电量特性，与基于摩擦的能量采集方式的高电压特性，以及基于电磁的能量采集方式的连续高输出特性相结合，优势互补，可以实现高电压高电流，即高功率高输出的纳米发电机。
2、本发明提出的一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机，在摩擦材料表面通过倒模或压印的工艺制备了微纳米阵列结构，极大地提高了摩擦效率和有效摩擦面积，从而极大地提高了输出。
3、本发明提出的一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机，利用转子转动同时实现压电输出、摩擦输出和电磁输出，从而可以轻松地采集风能和水能，提供了一种新型的从大自然采集能量的方式。
4、本发明提出的一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机，其加工工艺简单，器件整体架构可靠易实现，成本低廉，产率高，可批量生产，易于产业化，且所提出的新型复合结构可极大提高输出性能。
附图说明
图1为发电机结构示意图；
图2为本发明的一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机横截面剖视图；
图3为本发明的转子结构示意图；
图4为本发明的压电层结构示意图；
图5为本发明的摩擦层结构示意图；
图6为本发明的一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机工作原理图；
图7为本发明的微纳米结构（微米尺度结构-PDMS倒金字塔形阵列）扫描电镜（SEM）照片；
图8为本发明的微纳米结构（纳米尺度结构-PDMS纳米筛孔阵列）扫描电镜（SEM）照片；
图9为本发明的微纳米结构（微纳复合结构-PDMS倒金字塔形阵列）扫描电镜（SEM）照片。
图中：1.外壳，2.转子，2-1.磁芯，2-2.线圈，3.压电层，3-1.压电电极，3-2.压电材料层，4.摩擦层，4-1.摩擦电极，4-2.摩擦材料层，4-2-1.微纳米结构，5.磁极。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明实施例作进一步详细的说明。
图1-图9阐述了本发明提供的一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机具体结构。
图1是通用的发电机结构示意图。图2是本发明的基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机横截面剖视图，其剖视位置与图1中A-B线相同。参见图2，本发明提出的一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机，包括：外壳1，转子2。在转子2外侧相对应位置上，沿轴向设置有一对突起的扣罩式摩擦层4。在外壳1内侧相对应位置上，沿轴向也设置有一对突起的扣罩式压电层3。同时，在外壳1内侧，位于所述的一对压电层3之间的位置，设置有相对应的一对磁极5。所述的一对摩擦层4两个最远端间的距离大于所述的一对压电层3两个最近端间的距离。
图3为本发明的转子2结构示意图，与通用技术相同，它由磁芯2-1和线圈2-2构成。
在图4所示的压电层3的结构中，所述的压电层3由当中的压电材料层3-2及两侧的压电电极3-1组成。所述压电电极3-1制作于压电材料层表面。所述的压电材料层3-2为具有压电效应的柔性材料，如氧化锌纳米线、聚偏氟乙烯压电薄膜（PVDF）或压电复合材料（如PDMS-BaTiO3、PVDF-BaTiO3或PDMS-ZnO等）。压电材料层3-2厚度为20μm-2000μm。压电电极3-1厚度为20nm–200μm。
在图5所示的摩擦层4的结构中，所述的摩擦层4由当中的摩擦材料层4-2及内侧（即靠近转子2的一侧）的摩擦电极4-1和外侧的微纳米结构4-2-1组成。所述摩擦电极4-1制作于摩擦材料层4-2表面。摩擦材料层4-2为较难失去电子的聚合物材料，如聚二甲基硅氧烷（PDMS）或聚酰亚胺（PI）等，厚度为20μm-2000μm。摩擦电极4-1厚度为20nm–200μm。在所述方案中，微纳米结构4-2-1是通过倒模或压印的方法在摩擦材料层4-2表面制备微纳米结构，由微米尺度结构，或纳米尺度结构，或微纳复合结构构成。其中微米尺度结构为金字塔形阵列或沟槽栅状阵列或半球形阵列或柱状阵列，特征尺寸为1μm–500μm，间距1μm–50μm；纳米尺度结构为纳米筛孔阵列或纳米尖端阵列，特征尺寸为2nm–1000nm，间距2nm–500nm；微纳复合结构由微米尺度结构和纳米尺度结构组成。
在所述的方案中，压电电极3-1与摩擦电极4-1均为导电性好且较易失去电子的金属或半导体材料，金属如金、银、铂、铜、铝、钛或钨等；半导体材料包括铟锡金属氧化物（ITO）、III-V族化合物或高掺杂硅等。
所述方案中，所述磁极5为可产生强磁场的磁性材料，如天然磁石、铁氧体磁材料、钕铁硼磁材料、钐钴磁材料、铝镍钴磁材料、稀土合金或铁硅合金等，厚度1mm–5mm。
所述方案中，所述磁芯2-1制作于转子2表面，为可增强磁感应强度的磁性材料，如铁镍系合金（坡莫合金）、铁硅系合金（硅钢）、非晶或纳米晶软磁合金等，直径0.5cm–5cm。
所述方案中，所述线圈2-2缠绕于磁芯2-1表面，为表面覆盖绝缘层的导电性优异的金属线，如金、银、铜、铝及其合金等，线径0.1mm–2cm。
图6为本发明的一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机工作原理图，当转子2转动时，由于所述的一对摩擦层4两个最远端间的距离大于所述的一对压电层3两个最近端间的距离，因此制作于转子2上的摩擦层4将与压电层3进行摩擦，同时压电层3由于摩擦层4的挤压而产生形变，同时线圈2-2切割由磁极5产生的磁场，从而同时实现压电式、摩擦式和电磁式的复合能量采集。
参照图7，图8，图9，为本发明微纳米结构4-2-1的扫描电镜（SEM）照片，制作于摩擦层表面的微纳米结构包括三种类型：微米尺度结构，纳米尺度结构和微纳复合结构。
Claims (10)
1.一种基于压电摩擦电磁的复合纳米发电机，包括外壳(1)，转子(2)；转子(2)由磁芯(2-1)和线圈(2-2)构成；其特征在于：在转子(2)外侧相对应位置上，沿轴向设置有一对突起的扣罩式摩擦层(4)；在外壳(1)内侧相对应位置上，沿轴向也设置有一对突起的扣罩式压电层(3)；同时，在外壳(1)内侧，位于所述的一对压电层(3)之间的位置，设置有相对应的一对磁极(5)。
2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于：所述的一对摩擦层(4)两个最远端间的距离大于所述的一对压电层(3)两个最近端间的距离。
3.根据权利要求1或2所述的发电机，其特征在于：所述的压电层(3)由当中的压电材料层(3-2)及两侧的压电电极(3-1)组成。
4.根据权利要求3所述的发电机，其特征在于，所述的压电材料层(3-2)为具有压电效应的柔性材料，所述的柔性材料为氧化锌纳米线、聚偏氟乙烯压电薄膜或压电复合材料；所述的压电复合材料为PDMS-BaTiO3、PVDF-BaTiO3或PDMS-ZnO；压电电极(3-1)为导电性好且较易失去电子的金属或半导体材料，金属为金、银、铂、铜、铝、钛或钨；半导体材料包括铟锡金属氧化物、III-V族化合物或高掺杂硅。
5.根据权利要求4所述的发电机，其特征在于：压电材料层(3-2)厚度为20μm-2000μm；压电电极(3-1)厚度为20nm–200μm。
6.根据权利要求1或2所述的发电机，其特征在于：所述的摩擦层(4)由当中的摩擦材料层(4-2)及内侧的摩擦电极(4-1)和外侧的微纳米结构(4-2-1)组成。
7.根据权利要求6所述的发电机，其特征在于，摩擦材料层(4-2)为较难失去电子的聚合物材料，所述的聚合物材料为聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺；摩擦电极(4-1)均为导电性好且较易失去电子的金属或半导体材料，金属为金、银、铂、铜、铝、钛或钨；半导体材料包括铟锡金属氧化物、III-V族化合物或高掺杂硅。
8.根据权利要求7所述的发电机，其特征在于：摩擦材料层(4-2)厚度为20μm-2000μm；摩擦电极(4-1)厚度为20nm–200μm。
9.根据权利要求6所述的发电机，其特征在于：微纳米结构(4-2-1)是通过倒模或压印的方法在摩擦材料层(4-2)表面制备微纳米结构，由微米尺度结构，或纳米尺度结构，或微纳复合结构构成；其中微米尺度结构为金字塔形阵列或沟槽栅状阵列或半球形阵列或柱状阵列，特征尺寸为1μm–500μm，间距1μm–50μm；纳米尺度结构为纳米筛孔阵列或纳米尖端阵列，特征尺寸为2nm–1000nm，间距2nm–500nm；微纳复合结构由微米尺度结构和纳米尺度结构组成。
10.根据权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，所述磁极(5)为可产生强磁场的磁性材料，所述的磁性材料为天然磁石、铁氧体磁材料、钕铁硼磁材料、钐钴磁材料、铝镍钴磁材料、稀土合金或铁硅合金，厚度1mm–5mm；所述磁芯(2-1)制作于转子(2)表面，为可增强磁感应强度的磁性材料，所述的磁性材料为铁镍系合金、铁硅系合金、非晶或纳米晶软磁合金，直径0.5cm–5cm；所述线圈(2-2)缠绕于磁芯(2-1)表面，为表面覆盖绝缘层的导电性优异的金属线，所述的金属线为金、银、铜、铝及其合金，线径0.1mm–2cm。
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