CN108123642B

CN108123642B - 摩擦纳米发电机及其制备方法

Info

Publication number: CN108123642B
Application number: CN201611079377.6A
Authority: CN
Inventors: 李舟; 赵超超; 谈溥川; 李虎; 王华英; 李喆; 邹洋
Original assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Current assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2016-11-30
Publication date: 2020-08-18
Anticipated expiration: 2036-11-30
Also published as: CN108123642A

Abstract

本发明提供了一种摩擦纳米发电机及其制备方法，所述摩擦纳米发电机包括：第一摩擦单元，其包括第一磁性部分；第二摩擦单元，与所述第一摩擦单元相对设置，两者相对表面的材料的摩擦电极序不同，且所述第二摩擦单元包括第二磁性部分；其中，所述第一磁性部分和第二磁性部分同极相对设置，通过同极相斥实现所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的相对运动。本发明提供的摩擦纳米发电机长时间使用输出稳定，结构简单，安全可靠，成本低，输出高，制作工艺简单。

Description

摩擦纳米发电机及其制备方法

技术领域

本发明涉及纳米技术领域，尤其涉及一种摩擦纳米发电机。

背景技术

通过纳米技术来收集和转换能量，为自发电和自驱动纳米系统装置的设计制作起到了关键作用。自从美国佐治亚理工学院王中林教授发明摩擦纳米发电机之后，人们相继研制出了基于不同材料和不同结构的摩擦纳米发电机。该发电机主要是利用材料摩擦电极序的不同，在摩擦接触的过程中实现电子转移，通过电势差驱动自由电子流移动。纳米发电机可以收集周围环境能量进行发电，将机械能转换为电能，驱动电子器件运行。相比传统电磁感应发电机，纳米发电机体积小质量轻，可以作为便携器件、植入器件等小型自驱动设备使用。

目前常用的实现纳米发电机分离的方式有摩擦层之间设置弹簧、两端增加垫片，或者设置拱形摩擦层在外侧放置支撑金属材料。使用弹簧制作摩擦纳米发电机工艺繁琐，难以实现小型化，并且长时间使用时由于弹性材料的老化导致弹簧弹性常数下降，摩擦层疲劳，支撑材料变形，影响发电机的输出；而且作为植入器件或者在其他复杂的液体环境中应用时需要对发电机进行封装，传统的采用在摩擦层两端增加聚二甲基硅氧烷等垫片材料的方式，在封装后难以实现摩擦层的分离，导致发电机的输出降低。

此外，为了增加纳米发电机的输出，需要对摩擦层表面进行改性，增加摩擦面微结构，提高摩擦效率。目前常用的方法如等离子刻蚀，离子注入等往往需要昂贵的设备，而且微结构的形貌难以控制。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种摩擦纳米发电机及其制备方法，其长时间使用输出稳定，结构简单，安全可靠，成本低，输出高，制作工艺简单。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：

第一摩擦单元，其包括第一磁性部分；

第二摩擦单元，与所述第一摩擦单元相对设置，两者相对表面的材料的摩擦电极序不同，且所述第二摩擦单元包括第二磁性部分；

其中，所述第一磁性部分和第二磁性部分同极相对设置，通过同极相斥实现所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的相对运动。

根据本发明的另一方面，提供了一种摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括：

步骤A，形成第一摩擦单元，其包括第一磁性部分；

步骤B，形成第二摩擦单元，其包括第二磁性部分；第一摩擦单元与第二摩擦单元相对表面的材料的摩擦电极序不同；

其中，所述第一磁性部分和第二磁性部分的同极相对，通过同极相斥实现所述第一和第二摩擦单元的相对运动。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明摩擦纳米发电机及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一：

(1)利用磁性材料同极相斥原理，采用磁性材料实现摩擦纳米发电机的接触分离，使制备工艺简化，易于实现小型化，同时避免在长时间使用时由于弹性材料的老化导致弹簧弹性常数下降，影响发电机的输出；

(2)作为植入器件或者在其他复杂的液体环境中应用时，采用磁性材料替换传统的垫片材料来实现接触分离，有效的避免了在封装后难以实现摩擦层的分离，造成发电机的输出降低；

(3)金属材料摩擦层采用阳极氧化法制备纳米微结构，绝缘材料摩擦层通过等离子刻蚀等方式制备出突起的类似鞭毛结构，最大化实现结构的互补，增加摩擦面积提高摩擦效率；

(4)通过控制阳极氧化电压和时间可以控制微结构的形貌，同时微结构可以沉积或装载易失电子的金属、聚甲醛、聚酰胺等材料，提高了摩擦纳米发电机输出。

附图说明

图1为根据本发明第一实施例摩擦纳米发电机的结构示意图；

图2为根据本发明第一实施例摩擦纳米发电机的一种形状磁性部分的俯视图；

图3为根据本发明第一实施例摩擦纳米发电机的另一种形状磁性部分俯视图；

图4为根据本发明第一实施例摩擦纳米发电机封装后的结构示意图；

图5为根据本发明第二实施例摩擦纳米发电机封装后的结构示意图；

图6为根据本发明第三实施例摩擦纳米发电机封装后的结构示意图；

图7为根据本发明第四实施例摩擦纳米发电机封装后的结构示意图；

图8为制备本发明摩擦纳米发电机方法的流程图。

【主要元件】

110,210,310,410-第一摩擦单元；

111,211,411-第一磁性部分；

112,212,312,412-第一摩擦层；

113,213,313-电极层；

A-第一微结构；

120,220,320,420-第二摩擦单元；

121,221,421-第二磁性部分；

122,222,322,422-第二摩擦层；

B-第二微结构；

130-封装结构；

430-外侧固定装置。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明提供了一种摩擦纳米发电机及其制备方法。利用磁性材料同极排斥的原理，并结合金属电极阳极氧化技术，实现了摩擦纳米发电机制作简单，小型化，长期稳定，同时高输出，可封装。

一、第一实施例

在本发明实施例一中，提供了一种接触分离式摩擦纳米发电机。图1为根据本发明实施例一摩擦纳米发电机封装后的结构示意图。请参照图1，本实施例接触分离式摩擦纳米发电机包括：

第一摩擦单元110，其包括第一磁性部分111，第一摩擦层112以及电极层113，所述电极层形成于所述第一摩擦层外侧，所述第一磁性部分形成于所述电极层外侧；

第二摩擦单元120，其与所述第一摩擦单元相对设置，且所述第二摩擦单元包括第二磁性部分121及第二摩擦层122；所述第二磁性部分形成于所述第二摩擦单元外侧；其中，

所述第一和第二磁性部分为同极相对设置，即N，N极对应或者S，S极对应，以实现所述第一和第二摩擦单元接触后分离；

所述第一摩擦单元和第二摩擦单元相对表面的材料的摩擦电极序不同，在接触分离的过程中，产生静电，通过外接电路进行电输出。

进一步的，所述第一摩擦层可为绝缘摩擦层，所述第二摩擦层可为金属摩擦层，同时作为电极层，即金属电极摩擦层。具体的，第一摩擦层可采用聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚二甲硅氧烷，聚亚酰胺，聚四氟乙烯等绝缘高分子材料，其厚度范围优选在10μm—1000μm之间；所述电极层可通过磁控溅射或者电子束蒸发法形成于第一摩擦层的外侧，其厚度范围优选在20nm—500nm之间；所述第二摩擦层的材质可为铁片，铝片，钛片，锌片等，其厚度范围优选在100μm—1000μm之间。

在外力作用下使第一摩擦层112与第二摩擦层(金属摩擦层)122互相接触后，二者表面带有相反的等量电荷，撤去外力后，由于第一磁性部分111和第二磁性部分121的互相排斥作用，第一摩擦层112与第二摩擦层(金属摩擦层)122互相分离，在电极层113和第二摩擦层122之间形成电流。

请参照图2，磁性部分为圆柱形，所述磁性部分优选为磁铁，磁铁厚度为100μm—1000μm，磁铁可采用永磁材料如钕铁硼，最大磁能积优选范围为200—500KJ/m³。如图3所示，磁性部分的形状还可以为长方体，长宽可以小于或等于摩擦层面积设置于中间位置，或者大小与摩擦层长宽相当，高度范围为100μm—1000μm。另外，根据硬度和设计需要，所述磁性部分可为由钕铁铬钨碳硼按一定比例组成的硬质磁钢，或者铁钴镍铝铜按一定比例组成的合金磁铁，或者氧化铁和氧化钴磁粉与聚合物按一定比例固化压铸形成的软质磁性材料。

优选的，可以使用双面胶等双面粘合材料对所述磁性材料进行固定。

为了适应于生物体植入环境或者复杂液体环境，所述摩擦纳米发电机可进一步包括一封装结构130，请参照图4。优选的，在植入环境中使用时，使用生物相容性好的摩擦材料及封装材料，在复杂液体环境中使用时，使用抗腐蚀性能好的封装材料。所述封装结构可以是多层，优选的，可采用PTFE薄膜封装后再使用PDMS通过压膜法或者涂覆法形成所述封装结构，该封装结构单层厚度范围可在10μm—500μm之间。通过上述封装结构，可以得到封装完整、输出高且稳定的小型摩擦纳米发电机，其在植入环境、高湿度和复杂液体环境中具有很高的应用前景。

为了最大化实现结构的互补，增加摩擦面积提高摩擦效率，所述第一摩擦单元可具有第一微结构A，所述第二摩擦单元可具有第二微结构B，请参照图1。可将第一摩擦单元的第一摩擦层通过纳米刻蚀、等离子刻蚀或激光刻蚀进行微纳结构设计，例如刻蚀出鞭毛形状的第一微结构，将第二摩擦单元的第二摩擦层通过阳极氧化法修饰纳米圆管状、纳米瓶状或纳米滴管状第二微结构。其中，通过控制阳极氧化电压和时间可以控制纳米圆管状、纳米瓶状或纳米滴管状微结构的形貌，优选地，第二微结构内部中可以通过化学气相沉积、真空电子束蒸镀、磁控溅射或者原子沉积等方法得到一层极性较正的易失电子高分子聚合物或金属元素，所述易失电子高分子聚合物为聚甲醛、聚酰胺等材料，实现了最大化的接触面积，提高了摩擦纳米发电机输出。

二、第二实施例

图5为根据本发明实施例二摩擦纳米发电机封装后的结构示意图。请参照图5，本实施例接触分离式摩擦纳米发电机包括：

第一摩擦单元210，所述第一摩擦单元包括第一磁性部分211，第一摩擦层212和电极层213，所述电极层形成于所述第一摩擦层外侧，所述第一磁性部分形成于所述电极层外侧；

第二摩擦单元220，其与所述第一摩擦单元相对设置，且所述第二摩擦单元包括第二磁性部分221及第二摩擦层222；其中，

所述第二磁性部分嵌入或半嵌入到所述第二摩擦层中，且所述第一和第二磁性部分为同极相对设置，用以实现所述第一和第二摩擦单元接触后分离；

另外，还可采用所述第一磁性部分嵌入或半嵌入到所述第一摩擦层中，所述第二磁性部分设置于所述第二摩擦层的外侧；也可以采用所述第一和第二磁性部分均嵌入或半嵌入到所述摩擦层中。

因此，与实施例一相比较，本发明实施例二中，所述磁性部分看作为所述摩擦层的组成部分嵌入或半嵌入到所述摩擦层中。具体的，可通过结构设计将磁性部分嵌入或半嵌入摩擦层中固定。本实施例其它技术特征与实施例一相同，此处不再作重复相同叙述。

三、第三实施例

图6为根据本发明实施例三摩擦纳米发电机封装后的结构示意图。请参照图6，本实施例接触分离式摩擦纳米发电机包括：

第一摩擦单元310，其包括第一摩擦层312和电极层313，所述第一摩擦层由磁粉材料与高分子聚合物形成；

第二摩擦单元320，其与所述第一摩擦单元相对设置，所述第二摩擦单元包括由导电磁性材料形成的第二摩擦层322；

所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的相对一侧极性相同，用以实现所述第一和第二摩擦单元接触后分离；

所示高分子聚合物优选为聚二甲基硅氧烷，所述导电磁性材料优选为金属磁铁。

因此，与实施例一和二相比较，本发明实施例三中，所述摩擦层直接由磁性材料与高分子聚合物材料混合形成故兼具磁性，因而无须在摩擦层外再形成另外的磁性部分或在摩擦层中嵌入或半嵌入磁性部分。本实施例其它技术特征与实施例一相同，此处不再作重复相同叙述。

四、第四实施例

图7为根据本发明实施例四摩擦纳米发电机封装后的结构示意图。请参照图7，在本发明的实施例四中，提供了一种滑动式摩擦纳米发电机。如图7所示，所述滑动式摩擦纳米发电机包括：第一摩擦单元410，第二摩擦单元420及至少两个外侧固定装置430；

所述第一摩擦单元410，设置于所述两个外侧固定装置的其中之一上，其包括第一磁性部分411和第一摩擦层412；

所述第二摩擦单元420，设置于所述两个外侧固定装置的其中另一上，其包括第二磁性部分421和第二摩擦层422；其中，

所述第一和第二磁性部分为同极相对设置，分别形成于所述第一和第二摩擦单元端部上，用以实现所述第一和第二摩擦单元的相对滑动；

其中，如图7所述，箭头方向表示滑动摩擦方向。进一步的，所述摩擦纳米发电机可以具有一引出电路用于电输出。

本实施例其它技术特征与实施例一相同，此处不再作重复相同叙述。

本发明还提供了一种摩擦纳米发电机的制备方法。图8为制备本发明摩擦纳米发电机方法的流程图。请参照图8，该方法包括以下步骤：

步骤A，形成第一摩擦单元，其包括第一磁性部分；

其中，所述第一磁性部分和第二磁性部分的同极相对，通过同极相斥实现所述第一和第二摩擦单元之间的相对运动。

下面以金属钛片为例具体介绍所述微结构的阳极氧化制备方法：首先将氟化铵配制成质量分数为0.5％的氟化铵水溶液，然后在其中加入乙二醇溶液，其中优选比例为水：(乙二醇+氟化铵)＝1:9(w/w)，再使用50V电压钛片做阳极氧化3h，最后在400℃的温度下加热2h即可得到。

本发明所述的材料的摩擦电极序，是指材料对电荷的吸引程度的差异进行的排序，两种材料互相摩擦，负电荷从极性较正的材料表面转移到极性较负的材料表面。摩擦纳米发电机就是摩擦起电跟静电感应的耦合，同时配合薄层电极跟外接电路的设计，实现电流的有效输出。

为了达到简要说明的目的，第一实施例中任何可作相同应用的叙述皆可并入到实施例二至四中，且无须再重复相同叙述。

至此，已经结合附图对本发明实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明摩擦纳米发电机及其制备方法有了清楚的认识。

本发明摩擦纳米发电机不限于上述提到的结构，只要是两部分发电部件互相接触分离平面及拱形模式或滑动摩擦纳米发电机结构，都可以采用本发明的技术方案。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。例如：

所述磁性部分可以为磁块，磁粉或磁性薄膜等，均不影响本发明的实现。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：

第一摩擦单元，其包括第一磁性部分；

其中，所述第一磁性部分和第二磁性部分同极相对设置，通过同极相斥实现所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的相对运动；

所述第一摩擦单元采用磁粉材料与高分子聚合物形成，所述第一磁性部分为磁粉材料对应的部分，所述第二摩擦单元采用导电磁性材料形成，所述第二磁性部分为所述导电磁性材料对应的部分。

2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为接触分离式。

3.根据权利要求1或2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元具有第一微结构，和/或所述第二摩擦单元具有第二微结构。

4.根据权利要求3所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：

所述第一微结构为鞭毛状；

所述第二微结构为纳米圆管状、纳米滴管状或者纳米瓶状。

5.根据权利要求4所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二微结构内部沉积或装载易失电子的高分子聚合物或金属元素。

6.根据权利要求1或2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，还包括：封装结构，用于实现在复杂环境或植入环境中使用。

7.根据权利要求6所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述封装结构为多层，单层厚度范围在10μm～500μm之间。

8.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一和第二磁性部分同极相对设置为N-N极相对或者S-S极相对。

9.一种摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括：

步骤A，形成第一摩擦单元，其包括第一磁性部分；

其中，所述第一磁性部分和第二磁性部分的同极相对，通过同极相斥实现所述第一和第二摩擦单元的相对运动；

10.根据权利要求9所述的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，还包括以下步骤：利用纳米刻蚀、等离子刻蚀或激光刻蚀方法在所述第一摩擦单元上形成第一微结构，利用阳极氧化法在所述第二摩擦单元上形成第二微结构。