CN105071685A - 具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及能源转化技术领域，提供一种具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机，包括：壳体和设置在壳体内部并能在壳体里运动的多个摩擦体；所述壳体为封闭结构，壳体内表面贴附2n片导电片，n为正整数，且各导电片相互之间不接触；每一导电片分别与导线连接，导线穿过壳体并与外部电路连接，任意两片导电片的通过各自导线与外部电路构成回路；所述导电片面向壳体中心的表面材料和所述摩擦体的表面材料之间存在摩擦电极序差异。本发明能够使摩擦体真正的实现自由运动，简化现有纳米发电机的结构，降低制作成本，拓宽摩擦纳米发电机的应用范围。

Description

具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机

技术领域

本发明涉及能源转化技术领域，尤其涉及一种具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机。

背景技术

社会经济的蓬勃发展，使得人类社会对能源的需求越来越大，不断开发各种新型的能源技术已成为人类文明进一步发展的必由之路。同热能、光能以及生物化学能等其他能源相比，机械能是人们日常生活中最为丰富的环境能源。摩擦电纳米发电机利用摩擦电效应与静电效应，通过周期性的接触分离或者滑动/转动已经成功的应用于环境机械能量的采集。然而，目前绝大多数已报道的摩擦电纳米发电机都只能在单一方向上工作，无法采集其它方向上的机械能量，从而造成极大的浪费。因此，开发出能在各个方向上工作的摩擦电纳米电发电机对提高摩擦纳米发电的转化效率具有重要意义。

中国专利CN103780127A公开了一种摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机的壳体包括外壳、导电层和摩擦层，芯体包括内芯、导电层和摩擦层，这种摩擦纳米发电机的可以收集机械能，工作原理是基于两种具有不同摩擦电特性的材料相互摩擦和分离来发电。然而，这种摩擦纳米发电机的两个摩擦材料都需要附上两个电极层和两个摩擦层，并在摩擦芯体和壳体之间连接导线来实现电荷转移，由于摩擦芯体连接有导线，摩擦芯体的自由运动受到了制约，这不可避免地限制了发电机工作的灵活性和适用范围。

发明内容

本发明主要解决现有技术的摩擦电纳米发电机工作的灵活性差、应用受限制的技术问题，提出一种具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机，以使摩擦体真正的实现自由运动，简化现有纳米发电机的结构，从而降低了制作成本，拓宽摩擦纳米发电机的应用范围。

本发明提供了一种具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机，包括：壳体和设置在壳体内部并能在壳体里运动的多个摩擦体；

所述壳体为封闭结构，壳体内表面贴附2n片导电片，n为正整数，且各导电片相互之间不接触；每一导电片分别与导线连接，导线穿过壳体并与外部电路连接，任意两片导电片的通过各自导线与外部电路构成回路；

所述导电片面向壳体中心的表面材料和所述摩擦体的表面材料之间存在摩擦电极序差异。

优选的，所述摩擦体的表面和/或所述导电片的表面，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构。

优选的，所述壳体包括球壳或者柱状壳。

优选的，所述摩擦体的表面材料选自聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚酰胺、纤维素乙酸酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、人造纤维、尼龙、硬橡胶、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯。

优选的，所述导电片为导电材料，选自金属以及导电的非金属材料。

优选的，所述壳体由轻质的柔性或者硬性材料构成。

优选的，2n片导电片的形状和大小相同，且2n片导电片均匀地分布在壳体的内表面。

优选的，其特征在于，2n片导电片的表面材料相同，多个摩擦体的表面材料相同。

本发明提供的一种具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机，对其施加任意方向的周期性外力，可以使多个摩擦体与不同的导电片周期性的接触-分离，同时会在不同的导电片之间形成交流脉冲信号输出，并通过导线传输到外部电路中，与现有技术相比，本发明具有下列优点：

1.本发明的纳米发电机结构简单、应用广泛：其内的独立的摩擦体，不需要额外附着电极和连接导线，摩擦体表面不需要镀上金属电极，让摩擦体在导电片的表面自由滑动或者跳动，通过其间相互摩擦产生静电电荷，降低了制作成本、简化了使用过程中的电路连接，可真正实现自由运动，大大地拓宽了摩擦纳米发电机的应用范围。

2.本发明纳米发电机的球壳可以在任意方向运动，且均能使内部的摩擦体与不同的导电片之间周期性的接触-分离，从而在不同的导电片之间产生电信号的输出，因此本发明摩擦纳米发电机能够全方位采集所有方向上的机械能能量，实现了能量的高效利用。由于本发明的摩擦电纳米发电机能够全方位采集所有方向上的机械能能量，所有具有广泛的应用的空间。例如，可以将其漂浮在海面上，当海浪波动时，其波动将传递给球壳内的小球使其随之运动，从而将波浪的机械能转化为电能。

3.本发明中导电片同时作为电极和摩擦层使用，降低了制作成本、简化了结构。

4.本发明的纳米发电机，能量转换效率高，具有巨大的应用前景。通过将无数个该摩擦电纳米发电机耦合成三维立体网络覆盖在海面上，将可以大规模采集海洋能量，这可能会为世界能源需求提供一个可行的蓝色能源方案。

附图说明

图1为具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机的结构示意图；

图2a-c为4块导电片在球壳内部分布的三视图；

图3a-b为导电层B和导电层D向外发电时的输出电流与输出电压；

图4a-b为具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机的工作原理示意图；

图5为整流耦合电路的示意图；

图6a-b为输出电流与输出电压随时间变化的曲线；

图7为具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机的发电效果图。

图中附图标记指代的技术特征为：

1、壳体；2、导电片；3、摩擦体。

具体实施方式

为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部内容。

图1为具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机的结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机包括：壳体1和设置在壳体1内部并能在壳体1里运动的多个摩擦体3；所述壳体1为封闭结构，壳体1内表面贴附2n片导电片2，n为正整数，且各导电片2相互之间不接触；每一导电片2分别与导线连接，导线穿过壳体1并与外部电路连接，任意两片导电片2的通过各自导线与外部电路构成回路；所述导电片2面向壳体1中心的表面材料和所述摩擦体3的表面材料之间存在摩擦电极序差异。2n片导电片2形成导电层，多个摩擦体3可与导电片2摩擦。

所述壳体包括为球壳、柱状壳或者其它对称的壳体结构。在本实施例中，摩擦体3为摩擦球，壳体1为球壳。导电片2的数量为4片。摩擦体3为纳米发电机提供了一个摩擦表面，其表面由绝缘材料构成，而导电片2面向壳体球心的表面由导电材料构成，选自金属材料和导电的非金属材料，其中，常用的金属包括：金、银、铝、铂、铜、钛、铬等以及上述金属形成的合金，导电的非金属材料包括：铟锡氧化物、有机导体或掺杂半导体；导电层可以采用导电的薄层或薄片直接切割而成。导电层一般由偶数个导电片构成，每片导电片2面积保持一致。摩擦体3表面材料应选自与导电片2有较大摩擦电性质差异的绝缘材料。所以，可以根据实际需要，可以选择具有负极性摩擦典型值的材料。例如：聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚酰胺、纤维素乙酸酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、人造纤维、尼龙、硬橡胶、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯。

本发明中所述的摩擦电极序差异，是指根据不同材料在相互摩擦或者接触的过程中显现出来的得失电子的能力的差异，即两种材料摩擦或接触时，一种材料带正电荷，另一种材料带负电荷，即两种材料的摩擦电性质不同。例如：导电片的材料选择为铝箔，摩擦体的材料选为聚四氟乙烯，铝箔既作摩擦层又做电极。根据摩擦电序列，材料铝箔的序列排在聚四氟乙烯之前，因此当聚四氟乙烯摩擦球与球壳内的铝箔接触时，铝箔电极表面失去电子，而聚四氟乙烯摩擦球表面得到电子。因为聚四氟乙烯摩擦球是绝缘体，其表面的摩擦电荷会保持很长时间，因此在摩擦球与铝箔充分摩擦后，所有摩擦球表面都将带上负电荷，且电荷密度基本保持不变。

本实施例中，摩擦体3被置于所述壳体1内部空间，在外力作用下，所述壳体1在任意方向运动时，所述壳体1带动摩擦体3在壳体1内部空间自由运动；摩擦体3与不同的导电片2周期性的接触-分离产生电信号，并通过导线将电信号输出到外部电路，并且任意两片导电片2的通过各自导线与外部电路构成回路。在外力的作用下摩擦体3与不同的导电片A、B、C、D周期性的接触-分离，从而通过不同的导电片2向球壳外部的整流电路输出电信号。该三维摩擦纳米发电机结构还包括与摩擦纳米发电机结构相关的电极引线，其中任意两根引线可以引出产生相应信号。

在本实施例中，4片导电片的形状和大小相同，且多个导电片均匀地分布在壳体的内表面。4片导电片的表面材料相同，多个摩擦体的表面材料相同。另外，还可以对摩擦体3表面和/或导电片2表面进行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量级的微结构阵列，以增加摩擦体3表面和导电层等面向小球的表面之间的接触面积，从而增大接触电荷量。而改性方法包括化学刻蚀、光刻蚀和离子体刻蚀等。摩擦球既可以是硬质材料，也可以是柔性材料，可以是体材料或者薄膜材料，摩擦球既可以是实心，也可以是空心，材料的硬度对发电性能没有明显的影响，但却能够扩大本发明纳米发电机的应用范围。摩擦体3的大小可以根据壳体和导电层面积决定。为了更好的电信号输出效果，可以选择多个摩擦体3同时进行摩擦发电，而摩擦体3的数量要求可以按照所有摩擦体3在壳体1内的占有面积与导电片(A或B或C或D等)的面积大致相同即可，此时的有效摩擦面积最大。

以下通过实例对本实施例提供的具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机进行说明：

利用一个直径为8cm的透明塑料球壳作为壳体，将4块面积分别为50cm²的铝箔作为导电片对称的贴在球壳内部，4块导电片在球壳内部分布的三视图如图2所示，图2a为正视图，图2b为侧视图，图2c为俯视图。在球壳内部放入8个聚四氟乙烯小球(～1cm³)作为摩擦体。当该球壳振动或滚动时，其内部的聚四氟乙烯摩擦球将与铝箔发生摩擦，并产生摩擦电荷。将4块铝电极通过外部电路连接起来，铝箔表面的摩擦电荷将随着聚四氟乙烯摩擦球的运动在电极之间转移，从而形成电信号输出。本发明的球形摩擦纳米发电机的输出实际上分为两个部分，每两个相对电极连接外部电路构成一个输出回路，半导体综合测试仪所测得的输出只是其中之一。如果选择B和C作为引线，此时纳米发电机产生的信号为摩擦小球滚动时产生的信号；如果选择B和D作为引线，纳米发电机产生的信号则为摩擦小球跳动时产生的信号。图3a-b为导电层B和导电层D向外发电时的输出电流与输出电压。从测量结果看出，本发明的摩擦纳米发电机的最大开路电压为40V，最短路电流为0.5μA。

下面对本发明的发电过程做进一步说明：本发明摩擦纳米发电机工作时，主要存在两种不同的工作模式：滚动和跳动。当壳体在旋转或者滚动时，在惯性和重力作用下聚四氟乙烯摩擦球也随之在球壳内部滚动，此时的工作原理如图4a所示。当聚四氟乙烯摩擦球与球壳内某块铝箔电极表面接触时，聚四氟乙烯摩擦球表面带负电荷，铝箔表面带正电荷，此时电场平衡。随着摩擦球的滚动，从一块铝电极滚动到另一块铝电极表面，电场平衡遭到破坏，从而驱使铝电极内的正电荷从随之从一块电极转移到另一块电极，接着小球继续滚向相邻的下一块铝电极，从而驱使电荷流向下一块铝电极，直至回到最初那块铝电极表面，从而构成一个输出周期。当壳体在某一方向上振动时，球壳将机械能传给聚四氟乙烯摩擦球，使得摩擦球也在该方向上振动或跳动，其工作原理如图4b所示。因为摩擦球在跳动，此时的电荷转移将主要发生在摩擦球跳动方向上相对的两块电极之间。当聚四氟乙烯摩擦球与球壳内某块铝电极表面接触时，聚四氟乙烯摩擦球表面带负电荷，铝箔表面带正电荷，此时电场平衡。当摩擦球沿球壳Z轴向跳动至相对铝电极表面时，电场平衡遭到破坏，从而驱使正电荷沿外电路流向相对铝电极表面，从而平衡其电势。之后，摩擦球再次弹跳回位置，又将驱使电荷流回原铝电极，形成反向电流，这样形成一个输出周期。虽然在理论上聚四氟乙烯摩擦球可以分为两种运动模式，但实际上，因为具体环境中机械运动的不规律性，球壳内的聚四氟乙烯摩擦球运动极为复杂，大致可以看成是上述两种运动模式的叠加，因此本发明的摩擦电纳米发电机的实际输出信号会受到上述两种过程的综合影响。在实际应用中，为了实现大规模的收集能力，可以适当增加摩擦球的数量，而所有摩擦球占有面积要与摩擦层面积大致相同，此时的有效摩擦面积最大。

为了全面测试本发明三维摩擦纳米发电机的总输出性能，我们还设计了一个整流耦合电路，利用8个1N4007型二极管将所制得摩擦纳米发电机的四个电极输出耦合到一起测试，电路如图5所示。在该测试电路的作用下，四块铝电极的电输出均被耦合到一起，此时任意两块铝电极之间的电势分布发生变化，均会在外部测试电路中形成电流输出。实验测得的输出电流与输出电压随时间变化的曲线分别如图6a-b所示。由输出曲线可以看出，当采用四电极耦合输出时，该装置的输出性能明显提升，最大输出电压约为195V，最大输出电流约为0.5μA，明显高于双电极输出表现。这是因为在8个整流二极管的作用下，四块电极同时发生作用。当摩擦球在塑料球壳内发生运动时，球内电势分布发生变化，部分电极电势升高，而其它电极电势降低，正电荷从电势升高的电极经外电路流向电势降低的电极，以平衡其电势差。此时任意两块铝电极之间的电势分布变化均会在测试电路中形成有效输出并相互耦合，从而使得该球形三维摩擦纳米发电机的输出达到最优化，机械能得到最有效的采集利用。图7为具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机的发电效果图。图7显示利用本发明三维摩擦纳米发电机采集机械能直接点亮8个商用了LED。如果将无数个本发明的摩擦电纳米发电机耦合成三维立体网络覆盖在海面上，可以大规模采集环境中全方位的能源(例如海洋能源、风能等)，并将施加在摩擦电纳米发电机上的机械能转化为电能。

本发明实施例提供的具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机，对其施加任意方向的周期性外力，可以使多个独立的摩擦体与不同的导电片周期性的接触-分离，同时会在不同的导电片之间形成交流脉冲信号输出，并通过导线传输到外部电路中。纳米发电机内的摩擦体，不需要额外附着电极和连接导线，摩擦体表面不需要镀上金属电极，让摩擦体在导电片的表面自由滑动或者跳动，通过其间相互摩擦产生静电电荷，降低了制作成本、简化了使用过程中的电路连接，可真正实现自由运动，大大地拓宽了摩擦纳米发电机的应用范围。导电层同时作为电极和摩擦层使用，降低了制作成本、简化了结构。本发明摩擦电纳米发电机能够全方位采集所有方向上的机械能能量，实现了能量的高效利用。由于本发明的摩擦电纳米发电机能够全方位采集所有方向上的机械能能量，所有具有广泛的应用的空间。例如，可以将其漂浮在海面上，当海浪波动时，其波动将传递给球壳内的小球使其随之运动，从而将波浪的机械能转化为电能。同时，本发明的具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机，能量转换效率高，具有巨大的应用前景。通过将无数个本实施例三维摩擦纳米发电机耦合成三维立体网络覆盖在海面上，将可以大规模采集海洋能量，这可能会为世界能源需求提供一个可行的蓝色能源方案。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：壳体和设置在壳体内部并能在壳体里运动的多个摩擦体；

所述壳体为封闭结构，壳体内表面贴附2n片导电片，n为正整数，且各导电片相互之间不接触；每一导电片分别与导线连接，导线穿过壳体并与外部电路连接，任意两片导电片的通过各自导线与外部电路构成回路；

所述导电片面向壳体中心的表面材料和所述摩擦体的表面材料之间存在摩擦电极序差异。

2.根据权利要求1所述的具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦体的表面和/或所述导电片的表面，全部或部分分布有微米或次微米量级的微结构。

3.根据权利要求1所述的具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机，其特征在于，所述壳体包括球壳或者柱状壳。

4.根据权利要求1所述的具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦体的表面材料选自聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚酰胺、纤维素乙酸酯、再生纤维海绵、聚氨酯弹性体、人造纤维、尼龙、硬橡胶、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、酚醛树脂、氯丁橡胶、丁二烯丙烯共聚物、天然橡胶、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯。

5.根据权利要求1所述的具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机，其特征在于，所述导电片为导电材料，选自金属以及导电的非金属材料。

6.根据权利要求1所述的具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机，其特征在于，所述壳体由轻质的柔性或者硬性材料构成。

7.根据权利要求1所述的具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机，其特征在于，2n片导电片的形状和大小相同，且2n片导电片均匀地分布在壳体的内表面。

8.根据权利要求1或7所述的具有独立摩擦结构的三维摩擦纳米发电机，其特征在于，2n片导电片的表面材料相同，多个摩擦体的表面材料相同。