CN108599612B - 一种接触分离-滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机 - Google Patents
一种接触分离-滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及一种接触分离‑滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机，包括：外部支撑材料(1)、铰链(2)、固定铰链材料(3)、电极材料(4)、摩擦材料A(5)、摩擦材料B(6)；其中，铰链(2)连接外部支撑材料(1)；固定铰链材料(3)固定铰链(2)于上下外部支撑材料(1)之间；摩擦材料A(5)和摩擦材料B(6)背面分别粘附电极材料(4)并分别固定于外部支撑材料(1)的上下内表面。该发电机融合了垂直接触分离式和水平滑动摩擦两种工作模式，从而对多方向的机械能进行有效利用，更好地收集机械能，进一步提高摩擦纳米发电机的工作效率。
Description
技术领域
本发明属于摩擦纳米发电机技术领域，特别涉及一种接触分离-滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机。
背景技术
摩擦纳米发电机于2012年被首次提出，其主要目的是收集小尺度的机械能并转换成电能。现有的摩擦纳米发电机主要有以下四种基本工作模式，如图1所示：(a)垂直接触-分离模式；(b)水平滑动式；(c)单电极式；(d)独立摩擦层式。其中，垂直接触-分离式和水平滑动摩擦式是两种最常用的工作模式。
目前，通过研究改进，摩擦纳米发电机的发电效率正在不断提高，但是仍有进一步提高的空间。另一方面，摩擦纳米发电机作为收集日常生活中微小机械能的器件，并不能够完全按照垂直接触-分离式或水平滑动摩擦式的工作模式进行工作。单独的一种工作模式严重限制了摩擦层的受力方向，大大制约了摩擦纳米发电机在多方向上的能量收集，从而降低了摩擦纳米发电机的工作效率。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种接触分离-滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机，该模式纳米发电机将垂直接触分离式和水平滑动摩擦两种工作模式综合融合在一起，从而对多方向的机械能进行有效利用，更好地收集机械能，进一步提高摩擦纳米发电机的工作效率。
本发明的一种接触分离-滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机，包括：外部支撑材料、铰链、固定铰链材料、电极材料、摩擦材料A、摩擦材料B；其中，铰链连接外部支撑材料；固定铰链材料固定铰链于上下外部支撑材料之间；摩擦材料A和摩擦材料B背面分别粘附电极材料并分别固定于外部支撑材料的上下内表面。
所述外部支撑材料为绝缘材料，选自聚四氟乙烯PTFE板材、聚酯PET板材或聚氯乙烯PVC板材，但不局限于此。
所述铰链的长度l为1～5cm，初始安装角度θ为30～60°
所述固定铰链材料为铆钉，但不局限于此。
所述电极材料为金属电极材料，选自铜、银或铝，但不局限于此。
所述摩擦材料A为捕获电子较差的材料，选自尼龙织物或涂覆水性聚氨酯PU的涤纶织物，但不局限于此。
所述摩擦材料B为捕获电子较强的材料，选自热塑性弹性体TPE薄膜、聚四氟乙烯PTFE薄膜或涂覆聚二甲基硅氧烷PDMS的涤纶织物，但不局限于此。
所述摩擦材料A和摩擦材料B的分离距离为0.5～2cm。
本发明的目的在于克服现有技术中摩擦纳米发电机单一工作模式的约束，综合利用垂直接触分离式和水平滑动摩擦式的工作原理，提出一种双模式的摩擦纳米发电机的结构。该结构能够综合融合垂直接触分离式和水平滑动摩擦式二种模式和优点，并进一步提高摩擦纳米发电机的工作效率。
本发明选择具有良好支撑性的材料作为上下层支撑材料。为了实现“垂直接触-分离”和“水平滑动摩擦”双工作模式，选用铰链对上下层支撑材料进行连接，从而实现上下层摩擦材料在接触时，不仅存在一个垂直方向的力实现垂直接触-分离的工作模式，而且存在一个水平方向的力实现水平滑动摩擦的工作模式，其合力方向与水平方向或垂直方向存在一定的夹角。通过调节铰链的长度及相邻铰链之间的距离，可以改变合力的方向，即改变了水平方向和垂直方向的力的大小。通过这种结构设计就能够实现对各个方向外力的收集和利用，从而提高纳米发电机的工作效率。
有益效果
(1)本发明的优点在于，利用铰链连接结构，巧妙成功地为摩擦纳米发电机的双模式工作提供了结构依托。这种结构能够收集各个方向的作用力产生的机械能，并综合融合垂直接触分离和水平滑动摩擦两种工作模式的工作原理，设计出一种高效、稳定的新型摩擦纳米发电机，使摩擦纳米发电机的工作效率进一步提升。
(2)本发明提出这种新型的双模式摩擦纳米发电机，与单模式摩擦纳米发电机相比，工作效率有明显的提高，将进一步推动摩擦纳米发电机的发展与应用。
附图说明
图1为现有摩擦纳米发电机的工作模式示意图，其中(a)为垂直接触-分离模式，(b)为水平滑动摩擦模式，(c)为单电极模式，(d)为独立摩擦层模式。
图2(a)为本发明接触分离-滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机立体结构示意图，图2(b)为本发明接触分离-滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机平面结构示意图；其中①为外部支撑材料，②为铰链，③为铰链固定材料，④为电极材料，⑤为摩擦材料A，⑥为摩擦材料B，l为铰链长度，θ为铰链的初始安装角度，即初始连接状态下与水平方向的夹角。
图2(c)为本发明接触分离-滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机工作时的受力分析图，其中FT为外力，F∥为水平方向分力，F⊥为垂直方向分力。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
选用PTFE板材为外部支撑材料1，铜膜为电极材料4，尼龙织物(面积5cm*5cm，纱线细度210D，织物密度190T)为摩擦材料A5，热塑性弹性体TPE薄膜(面积5cm*5cm，厚度0.5mm)为摩擦材料B6。
用铆钉3将铰链2固定于上下外部支撑材料1之间，铰链2的长度l为2.83cm，初始安装角度θ为45°，摩擦材料A5和摩擦材料B6背面分别粘附电极材料4，并分别固定于外部支撑材料1的上下内表面，上下层摩擦材料的分离距离为1cm，即得双模式摩擦纳米发电机装置。
给本实施例的装置施加一个60N的外力FT，通过铰链的运动，该力被转化为水平(F∥)和垂直方向(F⊥)的两个分力，为“接触分离-滑动摩擦”双模式摩擦纳米发电机的工作提供基础。本实施例制得的双模式摩擦纳米发电机在上述条件下的开路电压和短路电流分别可达540V和28μA。
实施例2
选用PTFE板材为外部支撑材料1，铜膜为电极材料4，尼龙织物(面积5cm*5cm，纱线细度210D，织物密度190T)为摩擦材料A5，PTFE薄膜(面积5cm*5cm，厚度0.5mm)为摩擦材料B6。
用铆钉3将铰链2固定于上下外部支撑材料1之间，铰链2的长度l为4cm，初始安装角度θ为30°，摩擦材料A5和摩擦材料B6背面分别粘附电极材料4，并分别固定于外部支撑材料1的上下内表面，上下层摩擦材料的分离距离为1cm，即得双模式摩擦纳米发电机装置。
给本实施例的装置施加一个50N的外力FT，通过铰链的运动，该力被转化为水平(F∥)和垂直方向(F⊥)的两个分力，为“接触分离-滑动摩擦”双模式摩擦纳米发电机的工作提供基础。本实施例制得的双模式摩擦纳米发电机在上述条件下的开路电压和短路电流分别可达490V和24μA。
实施例3
选用PVC板材为外部支撑材料1，铜膜为电极材料4，涂覆PU的涤纶织物(面积5cm*5cm，厚度0.5mm)为摩擦材料A5，PTFE薄膜(面积5cm*5cm，厚度0.5mm)为摩擦材料B6。
用铆钉3将铰链2固定于上下外部支撑材料1之间，铰链2的长度l为3.46cm，初始安装角度θ为60°，摩擦材料A5和摩擦材料B6背面分别粘附电极材料4，并分别固定于外部支撑材料1的上下内表面，上下层摩擦材料的分离距离为1.5cm，即得双模式摩擦纳米发电机装置。
给本实施例的装置施加一个60N的外力FT，通过铰链的运动，该力被转化为水平(F∥)和垂直方向(F⊥)的两个分力，为“接触分离-滑动摩擦”双模式摩擦纳米发电机的工作提供基础。本实施例制得的双模式摩擦纳米发电机在上述条件下的开路电压和短路电流分别可达430V和17μA。
实施例4
选用PET板材为外部支撑材料1，银为电极材料4，涂覆PU的涤纶织物(面积5cm*5cm，厚度0.4mm)为摩擦材料A5，涂覆PDMS的涤纶织物(面积5cm*5cm，厚度0.4mm)为摩擦材料B6。
用铆钉3将铰链2固定于上下外部支撑材料1之间，铰链2的长度l为2.83cm，初始安装角度θ为45°；摩擦材料A5和摩擦材料B6背面分别涂覆导电银浆作为电极，并分别固定于外部支撑材料1的上下内表面，上下层摩擦材料的分离距离为0.7cm，即得双模式摩擦纳米发电机装置。
给本实施例的装置施加一个50N的外力FT，通过铰链的运动，该力被转化为水平(F∥)和垂直方向(F⊥)的两个分力，为“接触分离-滑动摩擦”双模式摩擦纳米发电机的工作提供基础。本实施例制得的双模式摩擦纳米发电机在上述条件下的开路电压和短路电流分别可达450V和20μA。
对比例1
用PET板材为外部支撑材料1，银为电极材料4，尼龙织物(面积5cm*5cm，纱线细度210D，织物密度160T)为摩擦材料A5，涂覆PDMS的涤纶织物(面积5cm*5cm，厚度为0.5mm)为摩擦材料B6。
不使用本发明的双模式摩擦纳米发电机的结构，而是用弹簧固定于上下外部支撑材料1之间；摩擦材料A5和摩擦材料B6背面分别涂覆电极材料4，并分别固定于外部支撑材料1的上下内表面，上下层摩擦材料的分离距离为1cm，即得“接触分离”单模式摩擦纳米发电机的装置，如图1(a)所示。
给本对比例的装置施加一个40N的外力F⊥，因该模式下的摩擦纳米发电机只能收集垂直方向的外力，因此40N外力为一个垂直外力，通过弹簧本身的弹性，为“接触分离”单模式摩擦纳米发电机的工作提供基础。本对比例制得的单模式纳米发电机在上述条件下的开路电压和短路电流分别为430V和16μA。
对比例2
选用PTFE板材为外部支撑材料1，铜膜为电极材料4，尼龙织物(面积5cm*5cm，纱线细度210D，织物密度190T)为摩擦材料A5，热塑性弹性体TPE薄膜(面积5cm*5cm，厚度为0.4mm)为摩擦材料B6。
不使用本发明的双模式摩擦纳米发电机的结构，而是将摩擦材料A5和摩擦材料B6背面分别粘附电极材料4，并控制两个摩擦材料A5与B6的分离距离为0，水平滑动距离为5cm，制备得到“水平滑动摩擦”单模式摩擦纳米发电机的装置，如图1(b)所示。
给本对比例的装置施加一个40N的外力F∥，因该模式下的摩擦纳米发电机只能收集水平方向的外力，因此40N外力为一个水平外力，为“水平滑动摩擦”单模式摩擦纳米发电机的工作提供基础。本对比例制得的单模式摩擦纳米发电机在上述条件下的开路电压和短路电流分别为450V和19μA。
Claims (8)
1.一种接触分离-滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机，其特征在于：包括：外部支撑材料(1)、连接部件(2)、连接固定材料(3)、电极材料(4)、摩擦材料A(5)、摩擦材料B(6)；其中，连接部件(2)的两端通过连接固定材料(3)分别与上、下外部支撑材料(1)铰接；摩擦材料A(5)和摩擦材料B(6)背面分别粘附电极材料(4)并分别固定于外部支撑材料(1)的上下内表面；通过连接部件(2)的运动，外力被转化为水平和垂直方向的两个分力，水平方向的力实现水平滑动摩擦的工作模式，垂直方向的力实现垂直接触-分离的工作模式。
2.根据权利要求1所述的一种接触分离-滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述外部支撑材料(1)为绝缘材料，选自聚四氟乙烯PTFE板材、聚酯PET板材或聚氯乙烯PVC板材。
3.根据权利要求1所述的一种接触分离-滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述连接部件(2)的长度l为1～5cm，连接部件(2)与外部支撑材料(1)的初始安装角度θ为30～60°。
4.根据权利要求1所述的一种接触分离-滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述连接固定材料(3)为铆钉。
5.根据权利要求1所述的一种接触分离-滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述电极材料(4)为金属电极材料，选自铜、银或铝。
6.根据权利要求1所述的一种接触分离-滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摩擦材料A(5)为尼龙织物或涂覆水性聚氨酯PU的涤纶织物。
7.根据权利要求1所述的一种接触分离-滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摩擦材料B(6)为热塑性弹性体TPE薄膜、聚四氟乙烯PTFE薄膜或涂覆聚二甲基硅氧烷PDMS的涤纶织物。
8.根据权利要求1所述的一种接触分离-滑动摩擦双模式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述摩擦材料A(5)和摩擦材料B(6)的分离距离为0.5～2cm。
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