CN109474200B - 基于miura-ori折叠并具有压电增强效应的摩擦发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于miura‑ori折叠并具有压电增强效应的摩擦发电机；该摩擦发电机含有miura‑ori折叠的支撑基底层，支撑基底层被折叠线分成M×N个折叠区块，每个折叠区块的正、反两面上均设置有平板形的发电模块，发电模块分为两种：模块一和模块二，模块一和模块二在折叠区块矩阵的行和列上均间隔设置；模块一含有摩擦层和底部电极层；模块二含有顶部电极层和压电增强层；所有模块一中的底部电极层通过附着在支撑基底层表面的第一导电薄膜线路连接在一起形成一个电源输出端，所有模块二中的顶部电极层通过附着在支撑基底层表面的第二导电薄膜线路连接在一起形成另一个电源输出端；本发明体积小、输出能力强。
Description
（一）、技术领域：
本发明涉及一种摩擦发电机，特别涉及一种基于miura-ori折叠并具有压电增强效应的摩擦发电机。
（二）、背景技术：
随着现代社会的迅猛发展，电子设备及系统不断朝着小型化、便携化、多功能化等方向演化，这将不可避免地导致单一电子设备中集成很多不同类型的传感器。如何给这些数量庞大的微型传感器供电便成了电子产业和信息技术发展中亟待解决的问题。摩擦发电机作为一项全新的能量收集技术，能够将极其微小的机械能转化为电能，在电子产品、环境监测以及医疗设备制造等领域具有巨大的应用潜力。表面电荷密度是表征摩擦发电机的一个重要技术指标。目前，提高摩擦纳米表面电荷密度的方式主要有：（１）摩擦材料表面粗糙化，以增大有效摩擦面积，以提高整体感应电荷量，如在摩擦材料表面制备各种纳米结构（如：纳米线、纳米颗粒及其它形貌结构）；（2）对摩擦材料进行改性研究，如在高分子基体中潜入孔洞结构、纳米颗粒，从而改善材料表面的起电性能。然而，摩擦材料经过长时间的摩擦后，表面的形貌结构就会被磨平而失效,并且对摩擦材料改性研究的工艺与理论尚不成熟，存在器件输出不稳定，一致性差等问题。
（三）、发明内容：
本发明要解决的技术问题是：提供一种基于miura-ori折叠并具有压电增强效应的摩擦发电机，该摩擦发电机体积小、输出能力强。
本发明的技术方案：
一种基于miura-ori折叠并具有压电增强效应的摩擦发电机，含有miura-ori折叠的支撑基底层，支撑基底层被折叠线分成M×N个折叠区块，M×N个折叠区块形成一个M行N列的折叠区块矩阵，M和N均为大于等于2的自然数，每个折叠区块的正、反两面上均设置有平板形的发电模块，发电模块分为两种：模块一和模块二；在支撑基底层的正面，模块一和模块二在折叠区块矩阵的行和列上均间隔设置；在支撑基底层的反面，模块一和模块二在折叠区块矩阵的行和列上也均间隔设置；模块一含有两层结构：摩擦层和底部电极层，底部电极层粘贴在支撑基底层的表面，摩擦层再粘贴在底部电极层的表面；模块二也含有两层结构：顶部电极层和压电增强层，压电增强层粘贴在支撑基底层的表面，顶部电极层再粘贴在压电增强层的表面；所有模块一中的底部电极层通过附着在支撑基底层表面的第一导电薄膜线路连接在一起形成摩擦发电机的一个电源输出端，所有模块二中的顶部电极层通过附着在支撑基底层表面的第二导电薄膜线路连接在一起形成摩擦发电机的另一个电源输出端；支撑基底层为绝缘体，顶部电极层、底部电极层、第一导电薄膜线路和第二导电薄膜线路均为易于失电子的导电体，摩擦层为易于得电子的绝缘体，压电增强层为铁电体，压电增强层的正极一面与支撑基底层的表面连接。
每个折叠区块的正、反面上的发电模块为同一种发电模块。
或者，每个折叠区块的正、反面上的发电模块不为同一种发电模块。
折叠区块为平行四边形，平行四边形的一个内角α的取值范围为：60o～85o。
发电模块的表面是与折叠区块大小、形状匹配的平行四边形。
支撑基底层的材质为纸或PET材料；顶部电极层、底部电极层、第一导电薄膜线路和第二导电薄膜线路的材质为铜箔；摩擦层的材质为PTFE薄膜（铁氟龙胶带）；压电增强层的材质为柔性PVDF薄膜。
柔性PVDF薄膜的厚度为28um～110um。
各发电模块的大小、形状均相同。
第一导电薄膜线路和第二导电薄膜线路粘贴在支撑基底层的表面。在支撑基底层的正、反两面均设有第一导电薄膜线路和第二导电薄膜线路。
该摩擦发电机的工作原理为：一个模块一与相邻的一个模块二共同构成一个摩擦单元，当支撑基底层折叠起来时，模块一和模块二会受到垂直方向的作用力，模块一上的摩擦层与模块二上的顶部电极层会按照一定角度接触，使摩擦层带上积累负电荷，顶部电极层带上积累正电荷；当支撑基底层打开时，垂直方向的作用力撤销，摩擦层与顶部电极层分离，底部电极层与顶部电极层之间形成电势差，电子会从底部电极层（一个电源输出端）流向顶部电极层（另一个电源输出端），形成电流；当支撑基底层又折叠起来时，模块一和模块二又会受到垂直方向的作用力，摩擦电荷形成的电势差消失，电子会发生回流。
实际使用该摩擦发电机时，不断折叠、打开支撑基底层，在支撑基底层不断折叠、打开的过程中，支撑基底层上的摩擦单元不断接触、分离，从而不断产生电能。
模块二上的压电增强层是具有铁电效应的柔性PVDF薄膜，柔性PVDF薄膜极化后，内部偶极子形成垂直规则排列，当柔性PVDF薄膜受压产生变形时，其正极一面会产生诱导压电正电荷，从而驱动顶部电极层与摩擦层的摩擦效应，增大了摩擦发电机的输出性能。
本发明的有益效果：
本发明采用miura-ori折叠方法对支撑基底层进行折叠，不仅有效减小了摩擦发电机的整体尺寸，还实现了各摩擦单元的同时接触和分离，进而增大了摩擦发电机的输出功率密度；并且，模块二上的压电增强层具有铁电效应，可增强摩擦单元的表面电荷密度，从而增强了摩擦发电机的输出性能；本发明体积小、输出能力强，可广泛应用于机械振动能量收集、自供电折叠电子设备、自供电无线传感系统、智能建筑等领域。
（四）、附图说明：
图1为基于miura-ori折叠并具有压电增强效应的摩擦发电机的结构示意图（此时的支撑基底层完全展开）；
图2为图1中的A-A剖视放大结构示意图；
图3为支撑基底层未完全展开时的结构示意图；
图4为支撑基底层折叠起来时的结构示意图；
图5为一个摩擦单元的结构示意图；
图6为图5中的摩擦单元的工作原理示意图；
图7为压电增强层增强摩擦效应的实验效果图。
（五）、具体实施方式：
如图1～图2所示，基于miura-ori折叠并具有压电增强效应的摩擦发电机含有miura-ori折叠的支撑基底层3，支撑基底层3被折叠线12分成4×3个折叠区块，4×3个折叠区块形成一个4行3列的折叠区块矩阵，每个折叠区块的正、反两面上均设置有平板形的发电模块，发电模块分为两种：模块一1和模块二2；在支撑基底层3的正面，模块一1和模块二2在折叠区块矩阵的行和列上均间隔设置；在支撑基底层3的反面，模块一1和模块二2在折叠区块矩阵的行和列上也均间隔设置；模块一1含有两层结构：摩擦层8和底部电极层9，底部电极层9粘贴在支撑基底层3的表面，摩擦层8再粘贴在底部电极层9的表面；模块二2也含有两层结构：顶部电极层10和压电增强层11，压电增强层11粘贴在支撑基底层3的表面，顶部电极层10再粘贴在压电增强层11的表面；所有模块一1中的底部电极层9通过附着在支撑基底层3表面的第一导电薄膜线路6连接在一起形成摩擦发电机的一个电源输出端4，所有模块二2中的顶部电极层10通过附着在支撑基底层3表面的第二导电薄膜线路7连接在一起形成摩擦发电机的另一个电源输出端5；支撑基底层3为绝缘体，顶部电极层10、底部电极层9、第一导电薄膜线路6和第二导电薄膜线路7均为易于失电子的导电体，摩擦层8为易于得电子的绝缘体，压电增强层11为铁电体，压电增强层11的正极一面与支撑基底层3的表面连接。
每个折叠区块的正、反面上的发电模块为同一种发电模块。
折叠区块为平行四边形，平行四边形的一个内角α为85o。
发电模块的表面是与折叠区块大小、形状匹配的平行四边形。
支撑基底层3的材质为纸；顶部电极层10、底部电极层9、第一导电薄膜线路6和第二导电薄膜线路7的材质为铜箔；摩擦层8的材质为PTFE薄膜（铁氟龙胶带）；压电增强层11的材质为柔性PVDF薄膜。
柔性PVDF薄膜的厚度为110um。
各发电模块的大小、形状均相同。
第一导电薄膜线路6和第二导电薄膜线路7粘贴在支撑基底层3的表面。在支撑基底层3的正、反两面均设有第一导电薄膜线路6和第二导电薄膜线路7。
如图3～图4所示，为了增加摩擦发电机的发电量，还可以增加支撑基底层3的面积，并将支撑基底层3折叠成6×6个折叠区块。
如图5、图6所示，摩擦发电机的工作原理为：一个模块一1（含有摩擦层8和底部电极层9）与相邻的一个模块二2（含有顶部电极层10和压电增强层11）共同构成一个摩擦单元，当支撑基底层3折叠起来时，模块一1和模块二2会受到垂直方向的作用力F，模块一1上的摩擦层8与模块二2上的顶部电极层10会按照一定角度接触，使摩擦层8带上积累负电荷，顶部电极层10带上积累正电荷；当支撑基底层3打开时，垂直方向的作用力F撤销，摩擦层8与顶部电极层10分离，底部电极层9与顶部电极层10之间形成电势差，电子会从底部电极层9（一个电源输出端4）流向顶部电极层10（另一个电源输出端5），在摩擦发电机的外部负载R上形成电流I1；当支撑基底层3又折叠起来时，模块一1和模块二2又会受到垂直方向的作用力F，摩擦电荷形成的电势差消失，电子会发生回流，在摩擦发电机的外部负载R上形成电流I2。
实际使用该摩擦发电机时，不断折叠、打开支撑基底层3，在支撑基底层3不断折叠、打开的过程中，支撑基底层3上的摩擦单元不断接触、分离，从而在摩擦发电机的外部负载R上形成持续的电流，不断产生电能。
模块二2上的压电增强层11是具有铁电效应的柔性PVDF薄膜，柔性PVDF薄膜极化后，内部偶极子形成垂直规则排列，当柔性PVDF薄膜受压产生变形时，其正极一面会产生诱导压电正电荷，从而驱动顶部电极层10与摩擦层8的摩擦效应，增大了摩擦发电机的输出性能。
如图7所示，对模块二2上的压电增强层11，选取28µm、52µm、110µm三种厚度的PVDF薄膜和未使用PVDF薄膜（0µm）进行实验，从中可以看出，使用PVDF薄膜时，摩擦发电机的开路电压Voltage(V)、短路电流Current(A)以及转移电荷Charge(nC)均高于未使用PVDF薄膜时的情况，并且随着PVDF薄膜厚度的增加，摩擦发电机的开路电压Voltage(V)、短路电流Current(A)以及转移电荷Charge(nC)不断提升，表明压电增强层11有效增加了摩擦发电机的摩擦效应。
Claims (9)
1.一种基于miura-ori折叠并具有压电增强效应的摩擦发电机，其特征是：含有miura-ori折叠的支撑基底层，支撑基底层被折叠线分成M×N个折叠区块，M×N个折叠区块形成一个M行N列的折叠区块矩阵，M和N均为大于等于2的自然数，每个折叠区块的正、反两面上均设置有平板形的发电模块，发电模块分为两种：模块一和模块二；在支撑基底层的正面，模块一和模块二在折叠区块矩阵的行和列上均间隔设置；在支撑基底层的反面，模块一和模块二在折叠区块矩阵的行和列上也均间隔设置；模块一含有两层结构：摩擦层和底部电极层，底部电极层粘贴在支撑基底层的表面，摩擦层再粘贴在底部电极层的表面；模块二也含有两层结构：顶部电极层和压电增强层，压电增强层粘贴在支撑基底层的表面，顶部电极层再粘贴在压电增强层的表面；所有模块一中的底部电极层通过附着在支撑基底层表面的第一导电薄膜线路连接在一起形成摩擦发电机的一个电源输出端，所有模块二中的顶部电极层通过附着在支撑基底层表面的第二导电薄膜线路连接在一起形成摩擦发电机的另一个电源输出端；支撑基底层为绝缘体，顶部电极层、底部电极层、第一导电薄膜线路和第二导电薄膜线路均为易于失电子的导电体，摩擦层为易于得电子的绝缘体，压电增强层为铁电体，压电增强层的正极一面与支撑基底层的表面连接；
工作原理包括：一个模块一与相邻的一个模块二共同构成一个摩擦单元，当支撑基底层折叠起来时，模块一和模块二受到垂直方向的作用力F，模块一上的摩擦层与模块二上的顶部电极层按照一定角度接触，使摩擦层带上积累负电荷，顶部电极层带上积累正电荷；当支撑基底层打开时，垂直方向的作用力F撤销，摩擦层与顶部电极层分离，底部电极层与顶部电极层之间形成电势差，电子会从底部电极层流向顶部电极层，在摩擦发电机的外部负载R上形成电流I1；当支撑基底层又折叠起来时，模块一和模块二又会受到垂直方向的作用力F，摩擦电荷形成的电势差消失，电子会发生回流，在摩擦发电机的外部负载R上形成电流I2；
实际使用时，不断折叠、打开支撑基底层，在支撑基底层不断折叠、打开的过程中，支撑基底层上的摩擦单元不断接触、分离，从而在摩擦发电机的外部负载R上形成持续的电流，不断产生电能。
2.根据权利要求1所述的基于miura-ori折叠并具有压电增强效应的摩擦发电机，其特征是：所述每个折叠区块的正、反面上的发电模块为同一种发电模块。
3.根据权利要求1所述的基于miura-ori折叠并具有压电增强效应的摩擦发电机，其特征是：所述每个折叠区块的正、反面上的发电模块不为同一种发电模块。
4.根据权利要求1所述的基于miura-ori折叠并具有压电增强效应的摩擦发电机，其特征是：所述折叠区块为平行四边形，平行四边形的一个内角α的取值范围为：60°～85°。
5.根据权利要求4所述的基于miura-ori折叠并具有压电增强效应的摩擦发电机，其特征是：所述发电模块的表面是与折叠区块大小、形状匹配的平行四边形。
6.根据权利要求1所述的基于miura-ori折叠并具有压电增强效应的摩擦发电机，其特征是：所述支撑基底层的材质为纸或PET材料；顶部电极层、底部电极层、第一导电薄膜线路和第二导电薄膜线路的材质为铜箔；摩擦层的材质为PTFE薄膜；压电增强层的材质为柔性PVDF薄膜。
7.根据权利要求6所述的基于miura-ori折叠并具有压电增强效应的摩擦发电机，其特征是：所述柔性PVDF薄膜的厚度为28um～110um。
8.根据权利要求1所述的基于miura-ori折叠并具有压电增强效应的摩擦发电机，其特征是：所述各发电模块的大小、形状均相同。
9.根据权利要求1所述的基于miura-ori折叠并具有压电增强效应的摩擦发电机，其特征是：所述第一导电薄膜线路和第二导电薄膜线路粘贴在支撑基底层的表面。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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