CN105337528B - 一种提高摩擦发电机输出强度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种用于提高摩擦发电机中摩擦层表面电荷密度，进而提高摩擦发电机输出功率密度的方法。由于摩擦发电机的输出电压和输出电流均正比于发电机中摩擦层表面所带的静电荷密度，因此提高这一静电荷密度成为提高摩擦发电机输出功率的关键。利用本发明的方法，可以直接往摩擦层表面注入同种电性的离子，使得电荷密度获得至少5倍的大幅度提高，进而发电机输出功率得到25倍以上的提高。本方法具有操作简易、成本低廉、效果显著等特点，并且对任何绝缘材料都适用。

Description

一种提高摩擦发电机输出强度的方法

技术领域

本发明涉及一种提高摩擦发电机电信号输出强度的方法。

背景技术

从2012年开始，基于摩擦静电效应的摩擦发电机得以快速发展，并以其高效的输出、简单的工艺、稳定的性能，为机械能转变为电能来驱动电子器件提供了一种十分具有前景的途径。但是，现有的摩擦发电机输出电流普遍偏小，还难以满足用电器件的供电需求。从摩擦发电机的基本工作原理上来说，其输出的电压和电流均正比于摩擦层表面所带有的摩擦静电荷密度。因此，提高摩擦发电机输出功率的一个关键途径就是提高摩擦发电机中的表面静电荷密度。

之前的研究都是通过增加摩擦表面的相互接触面积和相对滑动程度来实现表面电荷的提高，例如在表面进行纳米化图案处理和改变摩擦层接触结构等方式。但是，这些技术并没有改变摩擦层材料本身的性质，而材料本身的性质决定了两个摩擦层之间通过摩擦所能产生的表面静电荷的限度。这成为摩擦发电机输出功率密度进一步提高的主要限制因素。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明所要解决的技术问题是发展一种简单而实用的方法，将摩擦发电机中摩擦层表面所带有的电荷密度大幅提高，而以此来提高摩擦发电机的输出功率密度。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提出一种方法，通过直接将电性相同的离子喷射到摩擦发电机中摩擦层的表面，而使该表面带上静电。这种方法可以将静电直接引入到摩擦表面上，不用受到材料本身性质的限制。为了避免绝缘表面上积累的静电使得表面附近的空气被击穿，需要在摩擦层的背面镀上一层电极，并在离子注入的时候，保持电极接地。这样注入的离子就可以吸引反号的电荷从地面流入电极层，而屏蔽所注入的静电荷在空气中所产生的电场。利用这种方法，摩擦层表面所带的电荷密度理论上可以达到对应于所用绝缘层的击穿场强的大小，因此通过反复地进行离子注入这一过程，可使表面所带电荷密度达到很高的范围。

由于这一方法需要摩擦发电机中带电摩擦层薄膜的背面附着有电极层，因此这一方法能显著提高垂直接触式和平行滑动式这两种模式的摩擦发电机输出性能。

(三)有益效果

本发明方法最突出的优点是静电引入的过程简单、直接、可控，操作容易，成本低廉，并且可以有效地大幅提高摩擦发电机的输出功率密度。

附图说明

图1为本发明向摩擦层表面注入离子的方法示意图；

图2为本发明经过处理后的摩擦发电机的工作原理示意图；

图3为实施例1中摩擦发电机经本发明方法处理前后的电信号输出谱图；

图4为驻极体材料作为摩擦层的情况下，离子注入次数与摩擦层表面电荷密度的关系图；

图5为非驻极体材料作为摩擦层的情况下，离子注入次数与摩擦层表面电荷密度的关系图；

图6为不同摩擦层厚度与摩擦层表面可注入电荷密度的关系。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

本发明主要是通过摩擦层表面电荷的增加来提高摩擦发电机的输出强度，具体包括如下步骤(参见图1，以注入离子为负电性为例)：(1)提供摩擦发电机的第一摩擦层10，其下表面附着有第一电极层11；(2)将第一电极层11与等电位电连接；(3)向第一摩擦层的上表面注入具有同种电性的离子；(4)离子注入结束后，断开第一电极层11与等电位之间的电连接。用通过上述方法处理过的第一摩擦层10和第一电极层11来组装摩擦发电机，会获得更高的电信号输出强度，具体组装方法如图2所示(以第一摩擦层10带负电荷为例)：将第一电极层11与第二电极层20通过外电路30连接起来，使第一摩擦层10和第二电极层20面对面并且间隔一定距离，在外力的作用下第一摩擦层10和第二电极层20相互接近，为了平衡电场，电子通过外电路30从第二电极20向第一电极11流动；当第一摩擦层10与第二电极层20的间距进一步缩小直至二者接触时，第二电极层20上的电荷密度达到最大；当施加反向的外力使第一摩擦层10和第二电极层20分离时，电子又会从第一电极层11向第二电极层20流动，从而形成反向的电流向外输出；当第一摩擦层10和第二电极层20之间的间距足够大时(远大于第一摩擦层10的厚度)，第一电极层11和第一摩擦层10之间的电荷相互平衡，外电路不再有电子流过。以上过程周而复始的重复发生就是摩擦发电机的基本发电原理。可以看出，通过在摩擦层表面注入离子来提高摩擦层表面电荷的密度，会使摩擦发电机在工作过程中能够转移的电量显著增加。虽然此处描述的是第二电极层20直接作为一个摩擦层与第一摩擦层10相互作用，但实际上现有的在第二电极层20的基础上还含有一个第二摩擦层的情况，以及滑动式摩擦发电机也同样适用，此处不做赘述。

以下将对本发明上述方法的每个具体步骤做详细说明。其中步骤(1)为本发明的方法所针对的对象——背面附着有电极层的摩擦层。虽然背面没有电极层也能被注入离子，但是本发明人发现，没有电极层的协助，摩擦层上可注入的离子量相对较少。对于摩擦发电机输出信号的增强不是特别明显。因此，最好是使用背面附着有电极层的摩擦层。至于电极层的附着方法可以参照本领域的常规技术，例如蒸镀、沉积等等，只要使二者能够紧密结合即可。

对于第一摩擦层10，最好使用绝缘材料或驻极体材料，以便对注入的离子具有良好的保有性能。能够用于制造摩擦发电机的各种绝缘材料均可使用，例如有机聚合物材料、橡胶等。更优选使用驻极体材料，这样向摩擦发电机所引入的超高表面静电荷密度就可以保持长期存在，从而提高摩擦发电机的输出稳定性。

对于垂直接触式摩擦发电机，当两个表面从紧密接触的状态刚刚分开而具有很小的间隙时，在这个空气间隙内会形成一个很强的电场，而有可能导致空气的瞬时击穿。由于所形成的这个电场和第一摩擦层10表面的静电荷密度成正比，因此使得可以稳定存在的表面静电荷密度具有一个上限。而这一上限值——最大电荷密度，和第一摩擦层10的厚度存在反向关系。因此，为了通过离子注入法使得接触式摩擦发电机达到尽可能大的输出功率密度，其中的第一摩擦层10应具有尽可能薄的厚度，优选在500微米以下，更优选在50微米以下，尤其是1微米以下。为了增大摩擦层的表面积，还可以对其进行物理或化学改性，使其表面分布有微米级或次微米量级的微结构，从而可以携带更多的表面电荷。

第一电极层11只要是导电材料即可，例如金属、氧化铟锡(ITO)或有机导电材料，优选为金属材料。其厚度对本发明的方法没有影响，可以根据摩擦发电机的需求自行选择。

步骤(2)是有效提高离子注入量的重要步骤。在离子注入的整个过程中，需要保持第一电极层11时刻与等电位源电连接，这样达到第一摩擦层10表面上的离子就可以通过静电感应吸引同样量的反向电荷从等电位源转移向第一电极层11，而与第一摩擦层10上的静电荷形成双电层，将电场局域在绝缘层上下表面之间。由于固体绝缘材料的击穿场强一般比空气大1～2个数量级以上，因此在这种情况下，第一摩擦层10的表面所带的静电荷密度可以达到较高的范围。

等电位既可以由大体积的导体提供，也可以由等电位电路提供，还可以直接接地。本发明优选直接接地，方便又实用。

步骤(3)是本发明方法的关键步骤。为了满足摩擦发电机工作的需要，必须要注入具有同种电性的离子，也就是说只能注入全部带有负电荷或全部带有正电荷的离子，而不能同时注入两种电性混合的离子。虽然向第一摩擦层10注入的离子既可以带正电荷也可以带负电荷，但是为了达到更好的效果，优选注入离子的电性与摩擦发电机工作过程中第一摩擦层10通过摩擦所产生的表面电荷的电性一致。这样，注入的离子与第一摩擦层10摩擦所产生的电荷之间会形成增强效应。可注入的带电离子的种类在本发明中并不做限定，也就是说可以注入多种带有正(或负)电荷的离子，因为离子的种类对摩擦发电机的输出性能并没有明显影响。

该步骤中可以使用常规的离子注入方法。但是本发明人发现，通过能够可控产生离子的空气电离枪可以更简便的实现本发明的目的。空气电离枪是一种能够通过内部所产生的局部高压而将空气电离，产生离子，并且可以可控地向外喷射同一种电性离子的一种小型设备。这一设备的传统用途是用离子来中和表面上的静电，而消除静电对细小颗粒的吸附，而达到除尘的目的。在本方法中，用这一设备可以向摩擦层的表面反复注入离子而达到静电积累，具有操作简单、有效、安全并且成本低廉等优点。

在利用本方法注入离子时，需要保持空气电离枪与样品表面具有合适的距离，使得离子束可以覆盖表面上足够大的面积，但同时还具有足够的浓度。优选的距离范围为1-10cm，更优选3-5cm。

步骤(3)的离子注入过程可以重复进行多次。实验结果显示，在一定范围内，离子注入量与重复注入的次数呈明显的正相关，但是当重复次数达到一定值时，离子注入量就基本达到饱和。达到饱和的注入次数与摩擦层的材料性质及其所处环境(如温度、空气湿度等因素)有关系。本发明优选步骤(3)的离子注入过程可以重复进行3次以上，优选5次以上，更优选8-15次，尤其是8-10次。

步骤(4)为本发明方法的收尾步骤，当上述离子注入步骤结束后，必须将第一电极层11与等电位源之间的电连接断开，以便用该处理过的第一摩擦层10和第一电极层11与其他部件共同组建摩擦发电机。

实施例1

以50μm厚的氟化乙丙烯(FEP)薄膜作为第一摩擦层，在其下表面沉积金属Al作为第一电极层。将第一电极层接地，并且使用空气电离枪向FEP薄膜的上表面注射离子。根据空气电离枪的操作方式，需要先将电离枪空喷一会，将其喷头处吸附的反电荷离子喷出，然后再将其对准FEP薄膜的上表面轻轻喷射。电离枪的喷头距离FEP薄膜的上表面为3cm左右。喷射完成后，将第一电极层与地断开，并且与一个Al箔构建成摩擦发电机，该Al箔同时作为第二电极层和第二摩擦层。Al箔和第一电极层之间通过外电路连接，在该外电路上连有信号测量装置。通过改变第一摩擦层和第二电极层之间的间距，使其发生周期性的接触和分离，在此过程中，外电路的信号测量装置可以检测到摩擦发电机的输出电量。

图3给出了离子注射前后摩擦发电机的输出性能，其中(a)为离子注入前摩擦发电机的输出电压，(b)为离子注入后摩擦发电机的输出电压，(c)为离子注入前摩擦发电机输出的电流密度，(d)为离子注入后摩擦发电机输出的电流密度。可以看出，经过离子注入后，摩擦发电机的输出电压和电流都有显著的提高。

图4给出了不同离子注入次数下，摩擦层表面的电荷密度。可以看出，在离子注入后，摩擦层表面的电荷密度明显增加，并且与离子注入次数的有正相关性，但是当离子注入次数超过5次以后，表面电荷密度的增加就不是很显著了，注入次数当超过9次，表面电荷密度基本不变，说明已经达到饱和。

实施例2

以聚酰亚胺(Kapton)作为第一摩擦层，在其背面沉积Al作为第一电极层，将第一电极层接地。通过空气电离枪向Kapton的上表面注入离子。对比不同注入次数在Kapton表面所形成的表面电荷密度(参见图5)可以看到，对于非驻极体材料，同样也存在注入次数与表面电荷密度的正相关关系。

实施例3

将实施例1中FEP薄膜的厚度分别改变为75μm和125μm，测量离子注入后其表面的最大电荷密度，结果参见图6。可以看出，当摩擦层厚度增加时，其表面所能注入的最大电荷密度呈下降趋势。

Claims (9)

1.一种提高摩擦发电机输出强度的方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)提供摩擦发电机的第一摩擦层，其下表面附着有第一电极层；

(2)将所述第一电极层与等电位电连接；

(3)向所述第一摩擦层的上表面注入具有同种电性的离子；

(4)步骤(3)结束后，断开所述第一电极层与所述等电位之间的电连接。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，所述第一摩擦层为绝缘材料或驻极体材料。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，所述第一摩擦层的厚度在500μm以下。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述第一摩擦层的厚度在50μm以下。

5.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，步骤(3)使用空气电离枪注入离子。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述空气电离枪的喷射口与所述第一摩擦层上表面相距1～10厘米。

7.如权利要求6所述的方法，其特征在于，步骤(3)中注入离子的电性与摩擦发电机工作过程中所述第一摩擦层通过摩擦所产生的表面电荷的电性一致。

8.如权利要求1-4任一项所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的离子注入为多次重复进行。

9.如权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤(3)中的离子注入重复3次以上。