CN108964511A - 一种基于3d打印技术的摩擦纳米发电机及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D打印技术的摩擦纳米发电机及其制作方法，利用3D打印机进行制作，包括框架、基座、手柄及摩擦单元，框架包括固定框架和移动框架，固定框架分别设置于地面上，移动框架分别设置于固定框架的外侧，基座包括移动基座和固定基座，移动基座和固定基座均有多个，各个移动基座和固定基座等间距间隔设置于框架上，固定基座的两端分别与固定框架固定连接，移动基座的两端穿过固定基座，与移动框架固定连接；所述摩擦单元分别设置于相邻的两个基座的下端面和上端面。本发明能够提高摩擦纳米发电机输出性能，降低摩擦纳米发电机的制作成本。
Description
技术领域
本发明涉及发电机技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术的摩擦纳米发电机及其制作方法。
背景技术
随着全球变暖和能源危机的不断加剧，寻找绿色新能源减少碳排放以缓解当前能源压力是人类发展的重要挑战之一。摩擦纳米发电机作为一种新兴的能量收集与转换装置，其构造简单，选材广泛，成本低廉，能量转换效率高，理论上可以实现对自然界中所有形式机械能的收集。另外，随着人类世界智能化水平的不断提高，便携式电子设备、物联网等高端智能化电子设备已遍布在人类环境中，用以提供无线通信、健康监控、环境监测控制等重要数据，这些电子器件的电池需定期维护和更换，其成本极其高昂，迫切需求创新性思路解决这一难题。基于摩擦纳米发电机组成的自驱动系统可以很好解决这一难题。
现有摩擦纳米发电机仍存在一些技术不足之处，其作为自驱动能量源，实用化推广在很大程度上依赖于其个性化结构的设计及加工，而高成本、低效率、低精度的传统减材加工方法束缚了它的发展应用。3D打印技术是近年来飞速发展的一种增材制造技术，在空间立体模型的制作上具有得天独厚的优势，理论上可以加工任意复杂结构的三维模型，并且3D打印技术与创新性产品设计的结合，也是未来高端装备制造业绿色智能化发展的必然趋势，被认为是第三次工业革命的核心技术之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于3D打印技术的摩擦纳米发电机及其制作方法，能够提高摩擦纳米发电机输出性能，降低摩擦纳米发电机的制作成本。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于3D打印技术的摩擦纳米发电机，包括框架、基座、手柄及摩擦单元，所述框架包括固定框架和移动框架，固定框架和移动框架均有两个，两个固定框架分别设置于地面上，两个移动框架分别设置于固定框架的外侧，基座设置于固定框架之间，包括移动基座和固定基座，移动基座和固定基座均有多个，各个移动基座和固定基座等间距间隔设置于框架上，且移动基座和固定基座相互平行设置，固定基座的两端分别与固定框架固定连接，所述固定框架上开设有滑动卡槽，移动基座的两端穿过滑动卡槽，与移动框架固定连接；两个移动框架的上端均对应开设有通孔，手柄的两端分别穿过通孔，与移动框架固定连接；所述摩擦单元包括第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元和第二摩擦单元分别设置于相邻的两个基座的下端面和上端面。
优选的，所述第一摩擦单元包括第一摩擦层，第一摩擦层设置于位于下方的基座的上端面上，第二摩擦单元包括第二摩擦层及金属电极板，第二摩擦层贴在金属电极板上，金属电极板贴附在位于下方的基座的下表面上，第一摩擦层和第二摩擦层的大小和形状相同，且位置相对应。
优选的，所述第一摩擦层和第二摩擦层采用介电常数相差较大的材料制成。
优选的，第一摩擦层采用属铜箔，第二摩擦层采用聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚对二甲苯薄膜，第一金属电极板采用金属铜箔。
优选的，每个所述固定框架上均开设有两条垂直于地面的滑动卡槽，移动框架上与滑动卡槽相对应的位置上设有凸起，凸起卡接于滑动卡槽内，使移动框架能够沿固定框架上下滑动。
优选的，所述基座的上表面和下表面采用平面结构、梯形结构、半圆形结构或三角形结构，相邻的两个基座相对的两个面的截面形状相同，摩擦单元的形状与基座的上表面和下表面的形状相对应。
上述基于3D打印技术的摩擦纳米发电机的制作方法，依次包括：
①选择摩擦纳米发电机的工作模式为垂直接触-分离模式，通过设计软件对摩擦纳米发电机进行设计和建模，并利用仿真软件对该模型进行运动仿真、受力分析测试和电势场分布仿真测试；
②将该模型导入切片软件进行切片分层，并根据模型加工的难易程度，选择模拟加工方法，以生成gcode代码；
③将步骤②生成的gcode代码导入到3D打印机，对框架和基座进行逐层打印加工，若加工过程中遇到工序上的问题，则返回步骤①重新进行设计仿真，完善代码；
④对摩擦单元进行处理，以提高摩擦单元表面的电荷密度和有效接触面积，并将摩擦单元贴附在发电机的基座上。
优选的，所述步骤④中对摩擦单元进行处理的工序包括杂多酸的掺杂处理、摩擦层表面电荷预注入处理和ICP刻蚀法的纳米化处理。
优选的，所述3D打印的原材料采用聚乳酸、ABS塑料或热塑性聚氨酯橡胶。
本发明利用3D打印技术制作摩擦纳米发电机，能够提高摩擦纳米发电机输出性能，降低摩擦纳米发电机的制作成本，所制造出的摩擦纳米发电机具有结构简单，成本低廉、输出电压高、电流大等优点，可用于收集往复运动形式的机械能，以产生电能；摩擦纳米发电机采用多接触层结构，且往复双向实现接触分离，提高输出功率，并且输出特性可在有限范围内依据摩擦层数量和摩擦层有效接触面积进行控制，提高其应用范围。
附图说明
图1为本发明所述实施例一的装配图；
图2为本发明所述实施例一的结构示意图；
图3为图2中A处的局部放大图；
图4为本发明所述实施例二的结构示意图；
图5为本发明所述实施例三的结构示意图；
图6为本发明所述实施例四的结构示意图；
图7为本发明的工作原理图；
图8为本发明所述摩擦纳米发电机的短路数据图；
图9为本发明所述摩擦纳米发电机的开路数据图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，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的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
实施例一
如图1至图3所示，本发明公开了一种基于3D打印技术的摩擦纳米发电机，包括框架、基座、手柄8及摩擦单元，框架包括固定框架2和移动框架1，固定框架2和移动框架1均有两个，两个固定框架2分别设置于地面上，两个移动框架1分别设置于固定框架2的外侧，其中，每个固定框架2上均开设有两条垂直于地面的滑动卡槽，移动框架1上与滑动卡槽相对应的位置上设有凸起，凸起卡接于滑动卡槽内，使移动框架1能够沿固定框架2上下滑动；基座设置于固定框架2之间，在本实施例中，基座采用平面结构，包括移动基座7和固定基座3，移动基座7和固定基座3均有多个，各个移动基座7和固定基座3等间距间隔设置于框架上，且移动基座7和固定基座3相互平行设置，固定基座3的两端分别与固定框架2固定连接，移动基座7的两端分别与移动框架1固定连接；两个移动框架1的上端均对应开设有通孔9，手柄8的两端分别穿过通孔9，与移动框架1固定连接，手柄8用于带动移动框架1沿固定框架2上下移动，从而使移动基座7和固定基座3接触或分离。
摩擦单元用于摩擦发电，包括第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元和第二摩擦单元分别设置于相邻的两个基座的下端面和上端面，其中，第一摩擦单元包括第一摩擦层4，第一摩擦层4设置于位于下方的基座的上端面上，第二摩擦单元包括第二摩擦层5及金属电极板6，第二摩擦层5贴在金属电极板6上，金属电极板6贴附在位于下方的基座的下表面上，第一摩擦层4和第二摩擦层5的大小和形状相同，且位置相对应。在使用时，手柄8提供往复运动的动力源，移动框架1沿固定框架2上下移动，使第一摩擦层4和第二摩擦层5接触或分离，当第一摩擦层4与第二摩擦层5接触时，分别产生正、负静电荷，分离时由于静电感应形成电势差，连接负载即可产生电流，从而实现把往复运动的机械能转化为电能。
其中，第一摩擦层4和第二摩擦层5采用介电常数相差较大的材料制成，使得第一摩擦层4和第二摩擦层5与电子束缚能力差别较大，在本实施例中，第一摩擦层4采用金属铜箔，第二摩擦层5采用聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚对二甲苯薄膜，金属电极板6采用金属铜箔。
上述基于3D打印技术的摩擦纳米发电机的制作方法，依次包括：
①选择摩擦纳米发电机的工作模式为垂直接触-分离模式，通过Auto CAD设计软件对摩擦纳米发电机进行设计和建模，并利用COMSOL等仿真软件对该模型进行运动仿真、受力分析测试和电势场分布仿真测试；
该过程为现有技术，不再赘述。
②将该模型导入切片软件进行切片分层，并根据模型加工的难易程度，选择模拟加工方法，以生成gcode代码；
③将步骤②生成的gcode代码导入到3D打印机，进行逐层打印加工，若加工过程中遇到工序上的问题，则返回步骤①重新进行设计仿真，完善代码；
其中，3D打印的原材料采用聚乳酸、ABS塑料或热塑性聚氨酯橡胶等。
④对摩擦单元进行处理，以提高摩擦单元表面的电荷密度和有效接触面积，并将摩擦单元贴附在发电机的基座上。
对摩擦层依次进行杂多酸的掺杂处理、摩擦层表面电荷预注入处理、ICP刻蚀法的纳米化处理，以提高摩擦层表面的电荷密度和有效接触面积。
实施例二
如图4所示，本实施例的方案与实施例一的方案基本相同，区别在于：基座的上表面和下表面均为多个依次设置的梯形结构，相邻的两个基座相对的两个面的截面形状相同，摩擦单元的形状与基座的上表面和下表面的形状相对应。
实施例三
如图5所示，本实施例的方案与实施例一的方案基本相同，区别在于：基座的上表面和下表面均为多个依次设置的半圆形结构，相邻的两个基座相对的两个面的截面形状相同，摩擦单元的形状与基座的上表面和下表面的形状相对应。
实施例四
如图6所示，本实施例的方案与实施例一的方案基本相同，区别在于：基座的上表面和下表面均为多个依次设置的三角形结构，相邻的两个基座相对的两个面的截面形状相同，摩擦单元的形状与基座的上表面和下表面的形状相对应。
如图7所示，图7（a）为本发明的初始状态，第一摩擦层4与第二摩擦层5紧密接触，由于摩擦起电效应，其内表面会带上符号相反的静电荷，其中第一摩擦层5内表面带正电荷，第二摩擦层4内表面带负电荷；拉动手柄8，移动框架1沿固定框架2上下移动，相邻的第一摩擦层4和第二摩擦层5之间的距离增大或减小，图7（b）和7（c）分别表示第一摩擦层5和第二摩擦层4分开，两个电极之间会产生感应电势差，这个电势差会驱动两个电极之间的电子在外电路转移，形成电流，直至电势差被平衡掉；7（d）表示第一摩擦层4和第二摩擦层5接近，由于摩擦起电效应，摩擦层再次分别带上符号相反的静电荷，连接外电路，形成周期性循环回路。
本发明的摩擦纳米发电机选择频率为1～2Hz，振幅为150mm的往复振动作为驱动力，按上述方案，可以得到如图8所示的四个摩擦纳米发电机的开路电压数据，其输出的最大开路电压基本在＋2000V以上。如图9所示，在短路情况下，其电流多数在＋400μA以上。
本发明能够提高摩擦纳米发电机输出性能，降低摩擦纳米发电机的制作成本，所制造出的摩擦纳米发电机具有结构简单，成本低廉、输出电压高、电流大等优点，可用于收集往复运动形式的机械能，以产生电能。
Claims (9)
1.一种基于3D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于：包括框架、基座、手柄及摩擦单元，所述框架包括固定框架和移动框架，固定框架和移动框架均有两个，两个固定框架分别设置于地面上，两个移动框架分别设置于固定框架的外侧，基座设置于固定框架之间，包括移动基座和固定基座，移动基座和固定基座均有多个，各个移动基座和固定基座等间距间隔设置于框架上，且移动基座和固定基座相互平行设置，固定基座的两端分别与固定框架固定连接，所述固定框架上开设有滑动卡槽，移动基座的两端穿过滑动卡槽，与移动框架固定连接；两个移动框架的上端均对应开设有通孔，手柄的两端分别穿过通孔，与移动框架固定连接；所述摩擦单元包括第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元和第二摩擦单元分别设置于相邻的两个基座的下端面和上端面。
2.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦单元包括第一摩擦层，第一摩擦层设置于位于下方的基座的上端面上，第二摩擦单元包括第二摩擦层及金属电极板，第二摩擦层贴在金属电极板上，金属电极板贴附在位于下方的基座的下表面上，第一摩擦层和第二摩擦层的大小和形状相同，且位置相对应。
3.如权利要求2所述的一种基于3D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一摩擦层和第二摩擦层采用介电常数相差较大的材料制成。
4.如权利要求3所述的一种基于3D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于：第一摩擦层采用属铜箔，第二摩擦层采用聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚对二甲苯薄膜，第一金属电极板采用金属铜箔。
5.如权利要求2所述的一种基于3D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于：每个所述固定框架上均开设有两条垂直于地面的滑动卡槽，移动框架上与滑动卡槽相对应的位置上设有凸起，凸起卡接于滑动卡槽内，使移动框架能够沿固定框架上下滑动。
6.如权利要求2所述的一种基于3D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述基座的上表面和下表面采用平面结构、梯形结构、半圆形结构或三角形结构，相邻的两个基座相对的两个面的截面形状相同，摩擦单元的形状与基座的上表面和下表面的形状相对应。
7.上述权利要求2-6任一项所述的一种基于3D打印技术的摩擦纳米发电机的制作方法，其特征在于，依次包括：
①选择摩擦纳米发电机的工作模式为垂直接触-分离模式，通过设计软件对摩擦纳米发电机进行设计和建模，并利用仿真软件对该模型进行运动仿真、受力分析测试和电势场分布仿真测试；
②将该模型导入切片软件进行切片分层，并根据模型加工的难易程度，选择模拟加工方法，以生成gcode代码；
③将步骤②生成的gcode代码导入到3D打印机，对框架和基座进行逐层打印加工，若加工过程中遇到工序上的问题，则返回步骤①重新进行设计仿真，完善代码；
④对摩擦单元进行处理，以提高摩擦单元表面的电荷密度和有效接触面积，并将摩擦单元贴附在发电机的基座上。
8.如权利要求7所述的一种制作方法，其特征在于：所述步骤④中对摩擦单元进行处理的工序包括杂多酸的掺杂处理、摩擦层表面电荷预注入处理和ICP刻蚀法的纳米化处理。
9.如权利要求7所述的一种制作方法，其特征在于：所述3D打印的原材料采用聚乳酸、ABS塑料或热塑性聚氨酯橡胶。
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