CN105827138B - 一种基于氧化锌微球阵列修饰的摩擦发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于氧化锌微球阵列修饰的摩擦发电机，主要包括：相对放置的第一摩擦板、第二摩擦板、以及用于固定两块摩擦板的弹性端架。其中第一摩擦板，主要由第一基板、第一电极以及第一介电薄膜组成；第二摩擦板，主要包括氧化锌微球阵列、带金字塔微结构的第二介电薄膜、第二电极以及第二基板。本发明摩擦发电机能够将机械能转换为电能，具有结构简单、制备简便、成本低廉等特点，并使得摩擦发电机具有更高的电性能输出。

Description

一种基于氧化锌微球阵列修饰的摩擦发电机

技术领域

本发明涉及发电领域，具体涉及摩擦发电、纳米材料等，尤其涉及一种基于氧化锌微球阵列修饰的将机械能转换为电能的摩擦发电机及其制备方法。

背景技术

随着社会经济的不断发展，能源危机问题日益凸显，围绕新能源开发、可重复利用再生能源的研究正在世界各地如火如荼地进行着。利用材料本身对电荷吸附能力的不同而产生的摩擦起电效应被广泛应用在新型的摩擦发电机中，以将机械能转换成电能。采用摩擦技术构建的能量收集和转换装置，在自供电纳米系统中起关键作用。并且，由于其具备环保、成本低、自驱动等特性，受到了广泛关注。通常，摩擦发电机包括上电极和下电极两个关键部件，由于上、下电极对电荷吸附能力的不同，当上下电极在接触和分离两个运动状态进行变换的时候，就会在上下电极产生电荷，从而实现机械能向电能的转换。在此类器件中，电极材料的特性以及电极材料的表面形貌对发电的性能有着至关重要的作用。因此，选择恰当的电极材料并对电极表面进行合理修饰是提高摩擦发电机输出性能的重要研究方向。

发明内容

本发明的目的是提供一种材料表面微修饰的方法，从而提高摩擦发电机的电性能输出，提高机械能至电能的转换效率，并为微型电子器件供电。

为实现上述目的，本发明采用如下手段：一种基于氧化锌微球阵列修饰的摩擦发电机，其特征在于：包括相对放置的在上的第一摩擦板、在下的第二摩擦板，以及固定在二摩擦板两端的的弹性端架；两块摩擦板的位置可以互换；第一摩擦板主要由第一基板2、置于第一基板上的第一电极3、以及敷于第一电极上的第一介电层薄膜5组成；第二摩擦板包含第二基板9、置于第二基板上的第二电极7、敷于第二电极上的带金字塔微结构第二介电层薄膜8，第二介电薄膜金字塔顶上置有氧化锌ZnO微球阵列修饰。

所述具有氧化锌微球阵列的摩擦发电机采用如下的步骤进行修饰修饰和制备：

S1、通过掩膜曝光及湿法刻蚀的方式在硅基底上制作倒金字塔的模具，所述硅基底的晶型为100或111；

S2、用三甲基氯硅烷对S1所得硅模具进行硅烷化处理；

S3、以质量比为3：1配制PDMS胶体，并将胶体附与S2所得的具有倒金字塔结构的硅模具上，并在45℃条件下烘烤8小时；

S4、将S3所得的PDMS薄膜与硅基底剥离；

S5、在S4所得的具有金字塔结构的PDMS薄膜表面镀一层约100nm厚的ZnO作为种子层；

S6、将S5所得的薄膜浸入浓度为0.1M的硝酸锌和乌洛托品的混合溶液，85℃静置12小时；

S7、将S6所得薄膜无金字塔结构的一面贴于第二电极后，将第一电极固定在第二基板上；

S8、将第一介电层薄膜材料贴于第一电极后，固定在第一基板上；

S9、第一基板与第二基板相对放置，通过固定在基板两端的弹性端架控制基板在完全分离的状态时有一定的间隙。

本发明基于氧化锌微球阵列修饰的摩擦发电机，在外力作用下，第一摩擦板与第二摩擦板发生相对位移，由分离状态变为接触状态；当外力撤除，基板在弹性端架回复力的作用下，由接触状态恢复到初始的分离状态，如此循环。由于不同介电层对电荷吸附能力的不同，在接触和分离时，由静电效应产生的电荷通过第一电极和第二电极引出，从而实现发电功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

（1）本发明提出了一种新型的材料表面修饰方法，在金字塔微结构的基础上设计了氧化锌微球的二次修饰，结构新颖。

（2）对于采用氧化锌微球阵列作为发电机的接触面，不但可以增加接触面积，而且氧化锌微球阵列与导电面的滑动增强发电机的摩擦起电效果，同时由于氧化锌具有压电性，杂化了压电效应、接触起电效应和摩擦起电效应，从而大大地提高了发电机的输出功率。

（3）本发明的发电机具有结构简单、制备简便、成本低廉等特点，并使得摩擦发电机具有更高的电性能输出。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明发电机的结构示意图。

图2为具有金字塔结构及氧化锌微球修饰的PDMS薄膜表面形貌经3000倍放大后的扫描电子显微镜图谱。

图3为本发明的开路电压测量结果。

图4为本发明的短路电流测量结果。

图5为本发明发电机工作时点亮LED照片。

图中：1-弹性端架（左）；2-第一基板；3-第一电极；4-氧化锌微球；5-第一介电层薄膜；6-弹性端架（右）；7-第二电极；8-第二介电层薄膜；9-第二基板。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步详细说明。

如附图1所示，本发明为一种基于氧化锌微球阵列修饰的摩擦发电机，其中：第一基板2的功能是固定第一电极3和第一介电层薄膜5；第二基板9的功能是固定第二电极7和第二介电层薄膜8，并通过固定在基板（2和9）两端的弹性端架（1和6）为发电机的摩擦运动提供一个回复力。

第一基板2和第二基板9具有一定机械强度和厚度，主要是载体功能，可选用强度硬度较好、易加工的亚克力板；第一电极3和第二电极7可选用铝箔、铜箔等导电材料；其中第二介电层主要包括具有金字塔微结构的PDMS薄膜以及在金字塔塔尖的氧化锌微球4；第一介电层薄膜5主要选用与所述第二介电层摩擦电极序相差较大的介电材料。

本发明中所述的“摩擦电极序”，是指根据材料对电荷吸附能力的不同，将其进行的排序，当两种材料的摩擦电极序不一样时，在相互接触的瞬间，在接触面上会有正电荷从摩擦电极序中极性较负的材料表面转移至摩擦电极序中极性较正的材料表面。本发明的发电机中，第一介电层和第二介电层的材料选择，只要满足：第一介电层材料与第二介电层材料存在摩擦电极序差异即可，如果摩擦电极序相差越大，发电机所得到电性能输出也会越大。

所述摩擦发电机的具体工作原理：第一基板2与第二基板9的初始状态是分离状态，在外力作用下，第一基板2与第二基板9发生相对移动，由分离状态变为接触状态；此过程，第一介电层薄膜5和第二介电层薄膜8相互接触，由于两种介电材料吸附电荷的能力不一样，使得在介电层的相互接触的一面产生电荷吸引，出现电荷层；由于第一介电层薄膜5和第二介电层薄膜8的材料在摩擦电极序中的位置不同，在第一介电层薄膜5表面和第二介电层薄膜8表面将分别产生两种电量大小相同、极性相反的电荷；由于静电吸附作用会在第一电极层3和第二电极7之间产生电势差，为实现静电平衡，电子通过外接导线从第一介电层流入第二介电层，从而在外电路出现瞬时电流。当外力撤除，第一基板2和第二基板9在弹性端架（1和6）回复力的作用下逐渐分离，第一介电层（5）和第二介电层薄膜8之间的缝隙逐渐增大，此时由第一电极层3和第一介电层薄膜5所构成的整体具有净剩电荷，而第二电极7和第二介电层（8）所构成的整体具有与之对应的极性相反电量相等的净剩电荷，因此在第一电极层3和第二电极7之间产生了电势差。为平衡该电势差，电子通过外接导线由第一电极层3流入\流出第二电极7，从而在外电路产生由第一电极到第二电极层的瞬时电流。重复上述接触和分离的过程，通过第一介电层薄膜5和第二介电层薄膜8的不断接触和分离，分别产生方向相反的脉冲电流，从而实现在第一电极层（3）和第二电极层8之间的脉冲发电功能。

通过实验发现，当第一介电层薄膜5与第二介电层薄膜8材料的吸附电荷能力相差越大（即在摩擦电极序中的位置相差越远）时，发电机输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备第一介电层薄膜5和第二介电层薄膜8以获得更好的输出效果。

本发明制备具有氧化锌微球阵列的摩擦发电机包括以下步骤：

S1、通过掩膜曝光及湿法刻蚀的方式在硅基底上制作倒金字塔的模具，所选硅基底的晶型为100或111；

S2、用三甲基氯硅烷对S1所得硅模具进行硅烷化处理，主要是用三甲基氯硅烷对S1所得硅模具进行气相硅烷化处理8h；

S3、以质量比为3：1配制PDMS胶体，并将胶体附与S2所得的具有倒金字塔结构的硅模具上，并在45℃条件下烘烤8小时，所选3:1的比例为较优比例，另可选2:1,4:1,5:1等；

S4、将S3所得的PDMS薄膜与硅基底剥离，在剥离之前，先0℃冷冻处理30分钟；

S5、在S4所得的具有金字塔结构的PDMS薄膜表面镀一层的ZnO作为种子层，可采用蒸镀或磁控溅射镀膜的方式，种子层厚度优选为100nm；

S6、将S5所得的薄膜浸入浓度为0.1M的硝酸锌和乌洛托品的混合溶液，85℃静置12小时；

S7、将S6所得薄膜无金字塔结构的一面贴于第二电极后，将第二电极固定在第二基板上；

S8、将第一介电层薄膜材料贴于第一电极后，固定在第一基板上；

S9、第一基板与第二基板相对放置，通过固定在基板两端的弹性端架控制基板在完全分离的状态时有一定的间隙，所述间隙优选为2~5毫米。

以下简述本发明发电机在实际使用中的具体工作过程：

通过控制线性马达做周期性往返运动，使摩擦发电机随线性马达一起实现接触和分离状态的周期性循环，对本实施例中的基于氧化锌微球阵列修饰的摩擦发电机进行了开路电压和短路电流的测量，结果分别如图3和图4所示，其中图3为基于氧化锌微球阵列修饰的摩擦发电机在线性马达作用下的开路电压测量结果，图4为基于氧化锌微球阵列修饰的摩擦发电机在线性马达作用下的短路电流测量结果。从实验结果可以看到，基于氧化锌微球阵列修饰的摩擦发电机的开路电压具有约57伏特的峰峰值变化范围。而短路电流的电流密度的峰值达到了55毫安每平方米。本实施例中，将外形尺寸为3厘米×2厘米的发电机的用于机械能的收集，在无任何整流电路及储能元件的情况下，其输出可点亮30个LED，如图5所示。

发明人的研究过程中发现，在本发明各实施例的基于氧化锌微球阵列修饰的摩擦发电机在实际工作当中，外加负载的电阻值对实际输出功率有很大的影响。随着负载电阻值的增大，负载两端的电压增大，通过负载的电流减小，而实际输出功率先增大后减小，并出现极大值。本发明人经过多次实验发现，输出功率极大值所对应的电阻值在兆欧量级，因此，本发明在负载的电阻值为兆欧量级的情况下能够最大程度发挥其功效。需要说明的是，本文中使用的“输出功率”，是指脉冲电流的极大值和在负载两端形成的脉冲电压的极大值的乘积，即瞬时极大功率。

本发明发电机输出的电信号为交流脉冲电信号。发电机输出的脉冲电信号，不仅可以作为脉冲电源直接应用于电化学等领域，还可以储能元件，如超级电容器或者锂离子电池等充电，所储存的电能可为便携式小型电子设备提供电能。

本发明的发电机结构简单，制备方法简单，成本低，易于实现大面积制备，对材料无特殊要求，发电效率高，具有广泛的应用前景。

Claims (5)

1.一种基于氧化锌微球阵列修饰的摩擦发电机，其特征在于：包括相对放置的在上的第一摩擦板、在下的第二摩擦板，以及固定在二摩擦板两端的的弹性端架；两块摩擦板的位置可以互换；第一摩擦板主要由第一基板(2)、置于第一基板上的第一电极(3)、以及敷于第一电极上的第一介电层薄膜(5)组成；第二摩擦板包含第二基板(9)、置于第二基板上的第二电极(7)、敷于第二电极上的带金字塔微结构第二介电层薄膜(8)，第二介电薄膜金字塔顶上置有氧化锌ZnO微球阵列修饰；用于修饰的氧化锌微球的优选尺寸为3～8微米；第一介电层薄膜(5)和第二介电层薄膜(8)的材料存在摩擦电极序差异；

所述具有氧化锌微球阵列的摩擦发电机采用如下的步骤进行修饰修饰和制备：

S1、通过掩膜曝光及湿法刻蚀的方式在硅基底上制作倒金字塔的模具，所述硅基底的晶型为100或111；

S2、用三甲基氯硅烷对S1所得硅模具进行硅烷化处理；

S3、以质量比为3：1配制聚二甲基硅氧烷PDMS胶体，并将胶体附与S2所得的具有倒金字塔结构的硅模具上，并在45℃条件下烘烤8小时；

S4、将S3所得的PDMS薄膜与硅基底剥离；

S5、在S4所得的具有金字塔结构的PDMS薄膜表面镀一层约100nm厚的ZnO作为种子层；

S6、将S5所得的薄膜浸入浓度为0.1M的硝酸锌和乌洛托品的混合溶液，85℃静置12小时；

S7、将S6所得薄膜无金字塔结构的一面贴于第二电极后，将第一电极固定在第二基板上；

S8、将第一介电层薄膜材料贴于第一电极后，固定在第一基板上；

S9、第一基板与第二基板相对放置，通过固定在基板两端的弹性端架控制基板在完全分离的状态时有一定的间隙。

2.根据权利要求1所述的基于氧化锌微球阵列修饰的摩擦发电机，其特征在于，带金字塔微结构的第二介电薄膜作为介电层之一，并采用氧化锌微球阵列进行二次修饰，且氧化锌微球位于金字塔的塔尖。

3.根据权利要求1所述的基于氧化锌微球阵列修饰的摩擦发电机，其特征在于，所述第二介电薄膜优选材料为聚二甲基硅氧烷PDMS。

4.根据权利要求1所述的基于氧化锌微球阵列修饰的摩擦发电机，其特征在于，所述第一介电层和第二介电层的厚度为0.02～0.5毫米。

5.根据权利要求1所述的基于氧化锌微球阵列修饰的摩擦发电机，其特征在于，所述第一基板(2)和第二基板(9)为具有一定机械强度的绝缘平板，具体为厚度2～5毫米的亚克力板。