CN110289783B - 一种联动式摩擦纳米发电器件及其应用 - Google Patents

一种联动式摩擦纳米发电器件及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种联动式摩擦纳米发电器件及其应用，包括相对设置的上导电部、下导电部，还包括与下导电部柔性连接的跷跷板结构，上导电部、下导电部均具有摩擦面；在外力作用下，上导电部向下运动，所述跷跷板结构带动下导电部上升，摩擦面接触分离以产生电信号，并通过上导电部和下导电部向外输出电信号。本发明能在不改变材料以及材料的摩擦层的面积的情况下，与普通摩擦纳米发电机相比，可以提高电流信号，能够大幅度提高输出功率，减小输入的机械能；本发明可以应用于对人体运动过程中产生的振动能的高效吸收，实现较高性能的输出。

Description

一种联动式摩擦纳米发电器件及其应用
技术领域
本发明涉及一种纳米发电机及其应用，特别是涉及一种联动式摩擦纳米发电器件及其应用。
背景技术
随着人工智能和计算机技术的不断发展，大量新型具有多种功能和高度集成化的微型电子器件被不断地开发出来，在人们的日常生活以及科学研究等各个领域中扮演着越来越重要的角色，同时也体现了前所未有的应用前景。但是随着各种电子设备的不断发展，给其供电的电源系统却始终保持着一个较低的技术水平，现在给微型电子器件供电的最普遍的方式主要是直接或间接来源于电池。电池不仅体积较大、质量较重，而且电池里面的化学物质对人体和环境存在一定的危害。
振动能是一种丰富、近乎无尽且广泛分布的清洁能源，从古至今一直广受人们的重视。通过高效地利用振动能转换为电能储存在储能设备中来解决目前在全世界范围内的能源紧缺问题，这已经是成为了全世界人类的一个共识。
发明内容
发明目的：本发明的一个目的是提供一种能够将振动能、运动能转化为电能储存起来并方便携带使用的联动式摩擦纳米发电器件；本发明的另一个目的是提供所述联动式摩擦纳米发电器件的在人体可穿戴设备中的应用。
技术方案：本发明提供的联动式摩擦纳米发电器件，包括相对设置的上导电部、下导电部；所述发电器件还包括与下导电部柔性连接的跷跷板结构，所述上导电部、下导电部均具有摩擦面；在外力作用下，上导电部向下运动，所述跷跷板结构带动下导电部上升，摩擦面接触分离以产生电信号，并通过上导电部和下导电部向外输出电信号。其中，上导电部包括至少两个导电元件，导电元件的材料表面吸引电子能力不同。
进一步地，所述上导电部包括第一导电元件、与第一导电元件相连的第二导电元件，下导电部包括第三导电元件；所述第一导电元件的下表面为第一摩擦面，第二导电元件的上表面、下表面分别为第二摩擦面、第三摩擦面，第三导电元件的上表面为第四摩擦面。其中，第一导电元件和第二导电元件可以使用绝缘双面胶粘接，如Kapton绝缘不导电双面胶。
优选地，所述第一摩擦面的材料和第二摩擦面的材料具有摩擦电极序差异，所述第三摩擦面的材料和第四摩擦面的材料具有摩擦电极序差异。
进一步地，所述跷跷板结构包括固定设置的转轴、与转轴铰接的跷跷板，跷跷板跷跷板的一端与下导电部柔性连接。
优选地，所述跷跷板结构相对于下导电部对称设置。对称设置可以使得下导电部平稳升降。
进一步地，所述发电器件还包括基座，上导电部包括固定导电元件的上基板，基座上设支撑上基板的支撑部。所述支撑部为弹性部件。弹性部件的设置配合了上基板，在外力作用下，上基板上下运动，弹性部件进而伸缩；当撤去外力后，弹性部件恢复至原来的位置。弹性部件可以是弹簧，也可以是其他弹性的零部件。
进一步地，所述下导电部的摩擦面上设有银纳米颗粒。银纳米颗粒以蒸镀形式被设置在摩擦面上，银纳米颗粒所能够起到的作用是提高输出性能，进而提高发电器件的灵敏度。其中，银纳米球的制备为现有技术，可以采用简单的乙二醇湿法化学还原法，该方法操作简繁、制备得到的银纳米球尺寸分布较为均匀。具体方法为：1gPVP溶解在20ml乙二醇中。60℃搅拌。待等到PVP充分溶解后，加入80mg硝酸银，60℃搅拌至硝酸银全部溶解。此后，120℃恒温搅拌1h，溶液由无色变为橘黄色。反应结束冷却至室温后，将反应液和乙醇、丙酮1∶4混合，在8000rmp下离心15min。如此反复3至4次，所得沉淀分散在无水乙醇中待用。
所述第一导电元件和第三导电元件的材质为铝、金、铜、铂等一系列容易失去电子的材料中的任一种，所述第二导电元件的材质为FEP、PFA、PTFE等一系列容易得到电子的材料中的任一种。其中，FEP全称为Fluorinated ethylene propylene，即为氟化乙烯丙烯共聚物(全氟乙烯丙烯共聚物)。第一、第二和第三导电元件的材质都可以不一样，但第一导电元件和第三导电元件是更为容易失去电子的材质，第二导电元件是更为容易得到电子的材质，这样输出电信号才能尽可能的大。
优选地，所述上导电部、下导电部的摩擦面的形状和尺寸相同。
本发明还提供了所述联动式摩擦纳米发电器件在人体可穿戴设备中的应用。可以将所述的带有跷跷板结构的摩擦纳米发电器件植入人体日常使用的鞋子之中，并与两颗LED灯相连接，通过收集人体运动过程产生的机械能来驱动LED灯工作。
发明原理：本发明的联动式摩擦纳米发电器件，利用两种得失电子能力不同的材料接触分离会产生电荷的定向移动的原理，通过在相对设置的上、下导电部之间，引入与下导电部柔性连接的跷跷板结构；其中上导电部包括至少两个导电元件，导电元件的材料表面吸引电子能力不同；跷跷板结构包括固定设置的转轴，与转轴铰接的跷跷板。由于下导电部与跷跷板一端相连，静止状态下，跷跷板的另一端翘起，与下导电部相连的一端朝下；因此在当上导电部受到外力作用时，上导电部向下运动，通过与跷跷板翘起的一端进行接触，进而带动下导电部的向上升，实现下导电部与上导电部的联动，提高上下两导电部的相对运动速度。本发明可以在不改变材料以及材料的摩擦层的面积的情况下，可以提高电流信号，大幅度提高输出功率，减小输入的机械能。
上导电部包括第一导电元件、与第一导电元件相连的第二导电元件，下导电部包括第三导电元件；所述第一导电元件的下表面为第一摩擦面，第二导电元件的上表面、下表面分别为第二摩擦面、第三摩擦面，第三导电元件的上表面为第四摩擦面。第一摩擦面的材料和第二摩擦面的材料具有摩擦电极序差异，所述第三摩擦面的材料和第四摩擦面的材料具有摩擦电极序差异。
因此，由于第二导电元件和第一导电元件的得失电子能力不同，第三导电元件和第二导电元件的得失电子能力也不同，因此当第一导电元件和第二导电元件相互接触，第三导电元件与第二导电元件相互接触，由于摩擦起电效应和静电感应的耦合作用，两个导电元件之间会产生电势差，接触部分会发生电荷的转移，并且通过导电元件就可以将电信号引出来，形成电流。
有益效果：
(1)本发明的摩擦纳米发电机在不改变材料以及材料的摩擦层的面积的情况下，与下导电部没有设置柔性连接的跷跷板结构的普通摩擦纳米发电机相比，可以提高电流信号；
(2)本发明提供的装置能够大幅度提高输出功率，由于上下两导电部采用弹性部件(如弹簧)进行连接，与普通摩擦纳米发电机相比，该装置能够大幅度减小输入的机械能；
(3)本发明可以应用于对人体运动过程中产生的振动能的高效吸收，实现较高性能的输出，可以植入鞋子中吸收人体运动的振动能；因此可以通过收集人体自身在运动过程中所产生的振动能，从而来驱动智能可穿戴设备。
附图说明
图1是本发明的摩擦纳米发电机的结构示意图；
图2是跷跷板与下基板的连接示意图；
图3是本发明的工作原理示意图；
图4是对比例的无跷跷板结构的摩擦纳米发电机结构示意图；
图5是本发明与对比例的输出信号图；
图6是本发明的最大输出功率与匹配电阻示意图；
图7是对比例的最大输出功率与匹配电阻示意图；
图8是本发明在工作时所输入的机械能示意图；
图9是对比例在工作时所输入的机械能示意图；
图10是本发明的摩擦纳米发电器件植入鞋子的图片。
具体实施方式
下面结合实施例和对比例对本发明进行详细描述。
实施例1：
如图1所示为本发明的摩擦纳米发电机的结构示意图。该摩擦纳米发电机包括基座6，基座6上设有上导电部、下导电部，上导电部和下导电部相对设置，上导电部包括固定导电元件的上基板7，四周设有四根弹簧9支撑上基板7，弹簧9的两端分别于基座6和上基板7固定连接。基座6、上基板7均为亚克力板。
上导电部包括第一导电元件1和第二导电元件2，第一导电元件1和第二导电元件2使用Kapton绝缘不导电双面胶相互粘接，并粘到上基板7上。第一导电元件1的下表面为第一摩擦面，第二导电元件2的上表面、下表面分别为第二摩擦面、第三摩擦面。第一导电元件1的材质为铝，大小为3cm×5cm，厚度0.02mm；第二导电元件2的材质为FEP膜(氟化乙烯丙烯共聚物)，大小为3cm×5cm，厚度0.005mm；第一导电元件1和第二导电元件2为两种得失电子能力不同的材料，相应摩擦面接触分离时会产生电荷的定向移动。
下导电部包括第三导电元件3以及用于固定第三导电元件3的下基板8，第三导电元件3使用Kapton绝缘不导电双面胶粘接在下基板8上，第三导电元件3的材质与第一导电元件1相同，也为铝，大小为3cm×5cm，厚度0.02mm；下基板8的材质为亚克力板。第三导电元件3的上表面为第四摩擦面，并且第三导电元件3上蒸镀有银纳米颗粒15，银纳米颗粒15的制备和蒸镀为现有技术，银纳米颗粒15所能够起到的作用是提高输出性能，进而提高发电器件的灵敏度。下导电部的左右两侧对称设有跷跷板结构，跷跷板结构包括固定设置在基座6上的转轴4以及与转轴4铰接的跷跷板5；跷跷板5为亚克力材质，大小为3cm×3cm，厚度为4.2mm。基座6上固定设有两个支撑座10，支撑座10也为亚克力材质，支撑座10上均设有与转轴6适配的孔，转轴6穿过支撑座10的孔，进而固定在支撑座10上。跷跷板5的一端与下基板8柔性连接，由于重力的作用，静止状态下，跷跷板5的一端向下，另一端为翘起状态。跷跷板5与下基板8的连接可将A4纸裁剪成与两侧跷跷板5以及中间下基板8的大小，中间预留活动距离，如图2所示，分为对称的左部11、右部12，以及位于中间的中间部13，左部11、右部12分别与跷跷板5的大小相同，中间部13与下基板8的大小相同，中间部13和左部11、右部12之间分别预留两个4cm的活动部14，后将Kapton绝缘不导电双面胶粘到A4纸上，最后粘至跷跷板5和下基板8上。也可以采取其他的柔性连接的方式连接跷跷板结构和下导电部。
如图3所示为本发明的工作原理示意图，静止状态下，上下两导电部均保持静止状态，跷跷板5的一端翘起，所有的导电元件均不带电，当上导电部在外力的作用下向下运动，第一导电元件1会压迫到第二导电元件2，由于第一导电元件1容易失去电子，第二导电元件2容易得到电子，因此第一导电元件1会由于失去电子而带正电，而第二导电元件2会由于得到电子而带负电；同时当上导电部向下运动时，下导电部两侧的跷跷板结构受到上导电部的上基板7的挤压，与下导电部相连的跷跷板5一端开始向上抬升，进而带动下导电部的第三导电元件3向上抬升；由于第三导电元件3与第一导电元件1的通过外电路进行连接的，第三导电元件3也是容易失去电子的，因此所失去的电子通过外电路转移到第一导电元件1，因此第三导电元件3也带上正电，由于第一导电元件1和第三导电元件3是导通的，而电子转移的数目遵循守恒定律，所有第一导电元件1与第三导电元件3所带的正电荷的数目之和与第二导电元件2所带的负电荷的数目是一致的。
由于第二导电元件2和第一导电元件1的得失电子能力不同，第三导电元件3和第二导电元件2的得失电子能力也不同，因此当第一导电元件1和第二导电元件2相互接触，第三导电元件3与第二导电元件2相互接触，由于摩擦起电效应和静电感应的耦合作用，两个导电元件之间会产生电势差，接触部分会发生电荷的转移，并且通过导电元件就可以将电信号引出来，形成电流。
对比例：
该对比例的基本结构与实施例基本相同，不同之处在于未设置跷跷板结构，如图4所示。
将实施例1和对比例的摩擦纳米发电器件分别进行输入信号测试，将发电器件结构的两个输出端与电表进行连接，测试短路电流，开路电压，以及转移的电荷量，结果如图5所示，其中图5(a)为对比例与实施例1中的转移的电荷量的对比数据，图5(b)为对比例与实施例1的开路电压对比数据，图5(c)为对比例与实施例1的短路电流对比数据，实施例1(记为SS-TENG)与对比例(记为PR-TENG)；可以看出实施例1与对比例相比，Q(转移的电荷量)与V(开路电压)并没有明显变化，而I(短路电流)却有明显的提升，其中Q取决于选择的材料以及面积，而V取决于两者之间的距离以及Q，I则取决于Q和上下两部分的相对运动时间，从这三个图中可以明显看到，在不需要改变材料、材料的面积以及上下两部分之间的距离，可以大幅度提高感应电流，而电量电压等信号却没有明显变化。
电量信号是取决于所选取的材料和材料的面积，而当材料以及材料的面积固定后，电压是取决于上下两部分的距离。
将实施例1和对比例的摩擦纳米发电器件分别进行最优阻抗与最大输出功率测试，结果如图6、图7所示，图6为实施例1的结果，其中图6(a)为实施例1(记为SS-TENG)的I(短路电流)与V(开路电压)随外接电阻的增加的变化情况，图6(b)为实施例1(记为SS-TENG)的输出功率随外接电阻增加的变化情况，可以看出实施例1结构的匹配电阻为160兆欧，对应输出功率为31.2μW。图7为对比例的结果，其中图7(a)为对比例(记为PR-TENG)的I(短路电流)与V(开路电压)随外接电阻的增加的变化情况，图7(b)为对比例(记为PR-TENG)的输出功率随外接电阻增加的变化情况，可以看出对比例结构的匹配电阻为180兆欧，对应输出功率为11.25μW。综上，可以看出实施例1的摩擦纳米发电器件能够大幅度提高输出功率，由于上下两部分采用弹簧9进行支撑连接，与对比例相比，实施例1的发电器件能够大幅度减小输入的机械能。
通过对实施例1和对比例在工作时所输入的机械能进行计算，如图8、9所示。可以计算得到，实施例1中的发电器件的机械能为：
ETTU＝mTTUgΔS1＝4.02×10-3J，
Figure BDA0002148643950000061
EBTU＝mBTUgΔS2＝4.42×10-4J.Ein＝ESpring+EBTU-ETTU＝0.0134J
其中，ΔS1＝S1-S2＝7.84mm；ΔS2＝6.10mm；mTTU＝73.06g；mBTU＝7.37gk＝0.28N/mm；k0＝1.12N/mm
上述公式中，ETTU表示上基板的能量；mTTU表示上基板的质量；Espring表示弹簧的能量；示意图详见图8，ΔS1表示实施例1中上导电部的上基板向下移动的最大值，S1为初始未受力状态下上基板和下基板之间的距离；S2为受力状态下上基板和下基板之间的最小距离；g是重力常数；EBTU表示下导电部的下基板的能量；mBTU表示下基板的质量；ΔS2表示下导电部的下基板的最大位移；Ein表示实施例1输入的机械能；k表示每个弹簧的弹性系数；k0表示四个弹簧串联后总的弹性系数。
而对比例中的机械能为：
Figure BDA0002148643950000062
E′TTU＝mTTUgΔS′1＝8.11×10-3J
E′in＝E′Spring+E′TTU＝0.0771J
其中，ΔS1′＝S1′-S2′＝10.93mm；mTTU＝73.06g
上述公式中，E′sprmg表示对比例中弹簧的能量；ΔS1′表示对比例中上导电部向下移动的最大值，S1′为初始未受力状态下上基板和下基板之间的距离；S2′为受力状态下上基板和下基板之间的最小距离；E′TTU表示对比例中上基板的能量；E′in表示对比例输入的机械能；其它均与实施例1的相同。
此外上下两基板之间的高度可以进行调节，不一定是固定的，最主要的是算出有外力情况下以及无外力情况下的位移差，以及下部分中间板移动的位移。
因此，通过计算可以得出实施例1输入的机械能为0.0134J，远远小于对比例输入的机械能为0.0771J，证明了实施例1的发电器件优越性。
实施例2：
本实施例将实施例1中的联动式摩擦纳米发电器件植入到鞋子中；在日常使用的鞋子切除出一部分可以容纳装置的空间，然后将装置放入其中并固定，通过电路设计，经过整流后于LED灯连接，可以通过收集人体运动过程中的振动能可以来点量LED灯，如图10所示，图中画虚线框的位置即为植入了实施例1的联动式摩擦纳米发电器件，记为SS-TENG。
将该联动式摩擦纳米发电器件与LED相连接，然后植入日常使用的鞋子之中，然后当人穿着该鞋子进行运动的时候，脚会踩到上导电部，然后上导电部会向下运动与下导电部接触，摩擦面接触分离，进而产生感应电流，来驱动LED灯工作。

Claims (7)

1.一种联动式摩擦纳米发电器件，其特征在于：包括相对设置的上导电部、下导电部，所述发电器件还包括与下导电部柔性连接的跷跷板结构，所述上导电部、下导电部均具有摩擦面；在外力作用下，上导电部向下运动，所述跷跷板结构带动下导电部上升，通过外力的施加和撤去，摩擦面接触和分离以产生电信号，并通过上导电部和下导电部向外输出电信号；所述发电器件还包括基座（6），上导电部包括第一导电元件（1）、与第一导电元件（1）相连的第二导电元件（2）、固定第一导电元件（1）和第二导电元件（2）的上基板（7）；下导电部包括第三导电元件（3）以及用于固定第三导电元件（3）的下基板（8），所述第一导电元件（1）的下表面为第一摩擦面，第二导电元件（2）的上表面、下表面分别为第二摩擦面、第三摩擦面，第三导电元件（3）的上表面为第四摩擦面；所述跷跷板结构包括固定设置在基座（6）上的转轴（4）、与转轴（4）铰接的跷跷板（5），跷跷板（5）的一端与下基板（8）柔性连接，基座（6）上固定设有两个支撑座（10），支撑座（10）上均设有与转轴（4）适配的孔，转轴（4）穿过支撑座（10）的孔，进而固定在支撑座（10）上，基座（6）上设支撑上基板（7）的支撑部，所述支撑部为弹性部件。
2.根据权利要求1所述的联动式摩擦纳米发电器件，其特征在于：所述第一摩擦面的材料和第二摩擦面的材料具有摩擦电极序差异，所述第三摩擦面的材料和第四摩擦面的材料具有摩擦电极序差异。
3.根据权利要求1所述的联动式摩擦纳米发电器件，其特征在于：所述跷跷板结构相对于下导电部对称设置。
4.根据权利要求1所述的联动式摩擦纳米发电器件，其特征在于：所述下导电部的摩擦面上设有银纳米颗粒（15）。
5.根据权利要求2所述的联动式摩擦纳米发电器件，其特征在于：所述第一导电元件（1）和第三导电元件（3）的材质为铝、金、铜、铂中的任一种，所述第二导电元件（2）的材质为FEP、PFA、PTFE中的任一种。
6.根据权利要求1所述的联动式摩擦纳米发电器件，其特征在于：所述上导电部、下导电部的摩擦面的形状和尺寸相同。
7.一种如权利要求1~6中任一项所述的联动式摩擦纳米发电器件在人体可穿戴设备中的应用。
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