CN110098762A - 基于阵列式拉胀结构的压力激励式自发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于阵列式拉胀结构的压力激励式自发电装置，其特征在于，包括上表层、下表层及两者之间的发电层；上表层、下表层分别由柔性材料硅橡胶及其内表面作为电极的铜镀层复合而成；发电层包括多个阵列式排列的圆柱组件，每个圆柱组件包括相互嵌套且分别与上表层、下表层连接的上圆柱和下圆柱，上圆柱的直径小于下圆柱的直径，下圆柱为拉胀结构；上圆柱在受到压力激励时，上圆柱能垂直向下运动，与下圆柱重叠摩擦产生电荷，摩擦产生电荷会在上表层的铜镀层和下表层的铜镀层上产生感应电荷，进而将吸收的压力转换为电能。本发明可将多种能量转换为电能，制备流程简单，实施方便且成本较低，同时能有效提高能源利用率，节约资源。
Description
技术领域
本发明涉及一种拉胀结构式自发电装置，尤其是利用拉胀结构作为发电基本组成单元，属于纺织科学与技术领域。
背景技术
随着科技进步及大数据时代的到来，智能纺织品逐渐受到消费者的青睐。在市场对智能可穿戴纺织品的需求驱使下，涌现了许多概念性的可穿戴设备用作人体穿戴的一部分。但早期的可穿戴设备为电子器件的集成，具有硬、穿着不舒适的缺点。因此，对其产品的柔性、舒适性的要求成为产品改进关键。纺织品作为一种柔性材料，已被应用到各种柔性可穿戴设备的发电以及传感装置中，拉胀纺织品作为一种具有独特变形性能和优异力学性能的材料，将其应用到发电装置及传感器等可穿戴电子领域，不仅可以满足人们对柔性、轻量化的需求，同时能利用拉胀纺织品独特的变形性能起到提高能源利用率以及保护人体的作用。
近年来学者们对于自发电装置的研究已取得一些进展，并将这些成果在实际中加以应用，Sung Soo Kwak等人利用银和聚四氟乙烯针织物制造出了一种双拱形结构的三层织物复合全拉伸的自驱动摩擦发电机，最终得到了拉伸恢复性能最好，且在拉伸时导电性能较好的自发电装置。Kai Dong等人采用三个系统的纱线在三维正交机织物的基础上设计出了一种能吸收人体生物机械能量的自发电装置，该发电机三个系统的纱线分别是：3股加捻不锈钢/聚酯纤维复合纱(经纱)、PDMS涂层的能量吸收纱线(纬纱)及Z纱；其中经纱复合纱是由80％的聚酯纤维和20％超细不锈钢线复合而成，并将该织物成功用在了满足人体穿着需要的柔软性与舒适性的可穿戴设备上，此外，Baodong Chen等人利用3D打印技术设计出了一种超柔性的纳米发电机，其主要由两部分组成：打印复合树脂和离子凝胶，在紫外线照射下直接成型为3D纳米发电机。该发电机不仅可用于人体运动检测，还可用于自供电温度传感器以及求救信号系统。但目前对于基于拉胀材料的自发电设备的还鲜有研究，而拉胀结构独特的变形性能在自发电设备有很大应用潜力，故对其研究具有很大意义。
拉胀纺织品具有优异的能量吸收性能，其产品的制备与开发具有重要意义。同时，拉胀纺织品的拉伸膨胀的独特的变形性能赋予其传统材料难以相比的特点，其能在变形时适应人体的形态尺寸和位置，提高舒适性和灵敏度，这使得负泊松比纺织纱线、织物等柔性纺织材料在传感器、摩擦发电、超级电容等可穿戴设备领域具有很大应用潜力。若能将其与自发电设备相结合，设计出兼具有缓冲减震和自发电的装置，则意义重大。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是：如何通过与拉胀结构结合，提供一种兼具有优异缓冲性能的自发电设备。
为了解决上述问题，本发明的技术方案是提供了一种基于阵列式拉胀结构的压力激励式自发电装置，其特征在于，包括上表层、下表层及两者之间的发电层；上表层、下表层分别由柔性材料硅橡胶及其内表面作为电极的铜镀层复合而成；发电层包括多个阵列式排列的圆柱组件，每个圆柱组件包括相互嵌套且分别与上表层、下表层连接的上圆柱和下圆柱，上圆柱的直径小于下圆柱的直径，下圆柱为拉胀结构；上圆柱在受到压力激励时，上圆柱能垂直向下运动，与下圆柱重叠摩擦产生电荷，摩擦产生电荷会在上表层的铜镀层和下表层的铜镀层上产生感应电荷，进而将吸收的压力转换为电能。上圆柱与下圆柱的阵列形式可根据人体的体型灵活调节大小。
优选地，所述铜镀层由硅橡胶表面涂覆铜制得。
优选地，所述上圆柱与下圆柱同轴设置。
优选地，所述上圆柱与下圆柱的材料采用摩擦序列中电负性具有差异的任意两种。
更优选地，所述上圆柱与下圆柱采用尼龙与PTFE、羊毛与PTFE、尼龙与聚丙烯中任意一种组合。
更优选地，所述上圆柱为实心PTFE圆柱，下圆柱为空心拉胀管状PU织物。
优选地，所述上圆柱与上表层、下圆柱与下表层通过物理机械或化学方式牢固结合，保证结合牢固即可。
更优选地，所述上圆柱与上表层、下圆柱与下表层通过低熔点热熔纤维网粘合或通过化学键连接。
优选地，所述压力激励为压缩力、振动力或冲击力。
优选地，所述下圆柱拉胀结构中的拉胀几何结构单元的形状为内凹六边形、星形或人字形。上圆柱与下圆柱发生摩擦重叠时，基于下圆柱的拉胀结构可以使得其接触面积增大，进而增加两者之间摩擦力，产生较大的感应电流。下圆柱拉胀结构中的拉胀几何结构单元的形状为能产生负泊松效应的结构即可。
优选地，所述自发电装置为平板状、圆柱状、蛋壳状或球状。
本发明可同时实现缓冲、自发电等功能，能够应用在缓冲、智能可穿戴等领域，包括缓冲自发电鞋垫、头盔、护膝护腕等防护设备。
本发明可将多种能量转换为电能，制备工艺简单，实施方便且成本较低，同时能有效提高能源利用率，节约资源。特别地，所述发电层的上圆柱和拉胀管状圆柱可采用的原料种类多，适用性广，且在减振缓冲的同时能将吸收的能量转化为电能，提高了能量利用率。同时，本发明系统实施仅需要简单有效的多层复合方法来制造自发电设备，进一步制备出具有优异缓冲性能的自发电设备。
本发明以阵列式的拉胀结构作为自发电基本单元组装到压力激励式自发电装置，不仅赋予其较好的能量转换效率，同时赋予整体结构优异的减震缓冲性能，以最终实现缓冲减震的同时满足自发电。
本发明着重于阵列式拉胀结构的压力激励式自发电装置的设计，通过具有拉胀效应的拉胀管，并将其以一定结构复合到最终的自发电装置中，同时利用拉胀材料的高能量吸收性能，使最终的复合材料不仅具有减震缓冲性能和同时可将吸收的机械能转化为电能加以应用。
本发明的原理在于：拉胀圆柱是由具有拉胀效应的内凹几何结构成型制备得到的，在受到轴向拉伸时，拉胀几何结构展开，进而表现出拉胀效应和良好的能量吸收性能，而发电层上下圆柱接触摩擦时，由于两圆柱材料的电负性不同，进而产生感应电荷，产生感应电流，可用于可穿戴设备。此外，组成发电装置上下表层的硅橡胶也具有优异的缓冲性能，这三种结构的合成作用使得最终的发电装置呈现优异的缓冲减振和发电性能。
本发明原理实现的技术方法是：发电装置由三层结构复合而成三明治结构，其中上表层和下表层为柔性缓冲层，且上表层和下表层与发电层相连接的一面均匀涂覆铜镀层，中间层为发电层，由阵列式的一一相对的圆柱组成，上下相对的圆柱分别为PTFE、和PU材料且与上表层下表层的铜镀层和下表层相连，通过施加外部激励，发电层相对的圆柱垂直运动产生的相互重叠摩擦会产生感应电荷，进而将吸收的外部压力转换为电能。同时基于结构的灵活性，该发电装置的可根据不同应用部位设计成不同外观和尺寸大小，实施方便且成本较低，有效提高了能量利用率。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1、利用一对拉胀小圆柱作为摩擦起电材料，上下表层采用金属镀层的柔性层，不仅能实现减振缓冲，同时能将吸收的外界激励及时转化为电能加以利用，同时基于柔性表层的设计，增加了其在人体可穿戴设备上的应用潜能。
2、将拉胀材料应用到自发电装置设计中，不仅能够实现能量的再利用，同时能将拉胀材料优异的力学性能和能量吸收性能加以利用。
3、基于结构的灵活性，该自发电装置的加工方法根据不同应用场合可制造成多种外观形状，且发电层的阵列形式可根据人体的体型(例如脚跟、脚掌、膝盖等部位的尺寸)灵活调节大小。
4、该自发电装置是由硅橡胶、拉胀材料、金属镀层构成的三明治结构，能够应用在缓冲、智能穿戴设备等领域，包括自发电鞋垫、头盔、护膝护腕等防护设备。
附图说明
图1为本发明提供的基于阵列式拉胀结构的压力激励式自发电装置的剖面图；
图2为实施例1中下圆柱的结构示意图；
图3为本发明的工作原理图；
图4a-c分别为不同形状的拉胀几何结构单元。
具体实施方式
为使本发明更明显易懂，兹以优选实施例，并配合附图作详细说明如下。
实施例1
如图1、2所示，为本实施例提供的一种基于阵列式拉胀结构的压力激励式自发电装置，其包括上表层1、下表层3及两者之间的发电层2；上表层1、下表层3分别由柔性材料硅橡胶及其内表面作为电极的铜镀层复合而成；发电层2包括多个阵列式排列的圆柱组件，每个圆柱组件包括相互嵌套且分别与上表层1、下表层3连接的上圆柱21和下圆柱22，上圆柱21的直径小于下圆柱22的直径，下圆柱22为拉胀结构。上圆柱21与下圆柱22同轴设置。如图2、4a所示，下圆柱22拉胀结构中的拉胀几何结构单元23的形状为内凹六边形。
上述自发电装置的制备工艺为：
上表层1采用硅橡胶11做为柔性层，并在其一表面涂覆铜得到铜镀层12，再在涂覆有铜的一面通过氧等离子体处理形成化学键连接实心PTFE圆柱作为上圆柱21，并按照脚掌的形状布置阵列结构；下表层3采用另一块大小相同的硅橡胶32作为柔性层，采用同样的方式涂覆铜得到铜镀层31，在涂覆有铜的一面通过氧等离子体处理形成化学键连接空心拉胀管状PU织物作为下圆柱22，并使其阵列形式与上圆柱21一一对应，且两个圆柱可以相互配合嵌套。复合好的自发电装置可根据须要制成平板状、圆柱状、蛋壳状或球状。
当受到高压力激励时，上圆柱21能垂直向下运动，并与下圆柱22发生相对重叠摩擦运动，压力激励式自发电装置结构图如图1所示。
上圆柱21在受到压力F激励(压缩力、振动力或冲击力)时，上圆柱21能垂直向下运动，与下圆柱22重叠摩擦产生电荷，摩擦产生电荷会在上表层1的铜镀层12和下表层3的铜镀层31上产生感应电荷，由于上圆柱21和下圆柱22材料电负性不同，使得在上圆柱21上产生负电荷，在下圆柱22上产生正电荷，进而将吸收的压力F转换为电能，这些电荷会在上表层1的铜镀层12和下表层3的铜镀层31上产生相应的感应电荷，同时产生电流，如图3中(a)和(b)所示；当外部激励撤销时，上圆柱21和下圆柱22逐渐恢复初始状态，产生一个相反的电流(图3中箭头I为电流方向)，如图3中(c)和(d)所示，重复该过程能够实现将外部激励转换为电能。
实施例2
本实施例与实施例1的不同之处在于，下圆柱22的拉胀几何结构单元23的形状为四角星形，如图4b所示。
实施例3
本实施例与实施例1的不同之处在于，下圆柱22的拉胀几何结构单元23的形状为凹四边形，如图4c所示。
Claims (10)
1.一种基于阵列式拉胀结构的压力激励式自发电装置，其特征在于，包括上表层(1)、下表层(3)及两者之间的发电层(2)；上表层(1)、下表层(3)分别由柔性材料硅橡胶及其内表面作为电极的铜镀层复合而成；发电层(2)包括多个阵列式排列的圆柱组件，每个圆柱组件包括相互嵌套且分别与上表层(1)、下表层(3)连接的上圆柱(21)和下圆柱(22)，上圆柱(21)的直径小于下圆柱(22)的直径，下圆柱(22)为拉胀结构；上圆柱(21)在受到压力激励时，上圆柱(21)能垂直向下运动，与下圆柱(22)重叠摩擦产生电荷，摩擦产生电荷会在上表层(1)的铜镀层(12)和下表层(3)的铜镀层(31)上产生感应电荷，进而将吸收的压力转换为电能。
2.如权利要求1所述的基于阵列式拉胀结构的压力激励式自发电装置，其特征在于，所述铜镀层(12)由硅橡胶(11)表面涂覆铜制得。
3.如权利要求1所述的基于阵列式拉胀结构的压力激励式自发电装置，其特征在于，所述上圆柱(21)与下圆柱(22)同轴设置。
4.如权利要求1所述的基于阵列式拉胀结构的压力激励式自发电装置，其特征在于，所述上圆柱(21)与下圆柱(22)的材料采用摩擦序列中电负性具有差异的任意两种。
5.如权利要求4所述的基于阵列式拉胀结构的压力激励式自发电装置，其特征在于，所述上圆柱(21)与下圆柱(22)采用尼龙与PTFE、羊毛与PTFE、尼龙与聚丙烯中任意一种组合。
6.如权利要求4所述的基于阵列式拉胀结构的压力激励式自发电装置，其特征在于，所述上圆柱(21)为实心PTFE圆柱，下圆柱(22)为空心拉胀管状PU织物。
7.如权利要求1所述的基于阵列式拉胀结构的压力激励式自发电装置，其特征在于，所述上圆柱(21)与上表层(1)、下圆柱(22)与下表层(3)通过低熔点热熔纤维网粘合或通过化学键连接。
8.如权利要求1所述的基于阵列式拉胀结构的压力激励式自发电装置，其特征在于，所述压力激励为压缩力、振动力或冲击力。
9.如权利要求1所述的基于阵列式拉胀结构的压力激励式自发电装置，其特征在于，所述下圆柱(22)拉胀结构中的拉胀几何结构单元(23)的形状为内凹六边形、星形或凹四边形。
10.如权利要求1所述的基于阵列式拉胀结构的压力激励式自发电装置，其特征在于，所述自发电装置为平板状、圆柱状、蛋壳状或球状。
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