CN110445412A - 一种3d打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置，包括基于3D打印技术制作的波浪状弹性基底及粘附于波浪状弹性基底上由相对设置的第一摩擦单元和第二摩擦单元构成的摩擦发电单元，其中波浪状弹性基底设计制作时通过CAD软件设计制作，再经切片软件进行处理以获得程序代码，最后导入到3D打印机中进行打印制作形成由多个波浪形板逐层连接形成的波浪状弹性基底。本发明所述的3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置中弹性基底的制作方式上，从设计到制作均采用数字化技术实现，这对于实现个性化定制设计、批量化生产制作，实现摩擦发电装置的产业化应用推广具有非常重要的意义。
Description
技术领域
本发明属于摩擦发电机技术领域，具体涉及一种3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置。
背景技术
3D打印作为一种典型数字化前沿技术，近几年随着3D打印技术的不断提升，各种不同功能3D打印机的不断创新，可打印材料不断扩充等因素，3D打印已广泛应用的军工、生物医疗、机械工业制造、人工智能、柔性电子设备制作等领域，并且其在数字化加工制作个性化复杂结构方面的具有无可替代的绝对优势。
近年来，在柔性、可穿戴、小型化的电源装置和基于纳米发电机的自驱动系统引起了广大科研工作者极大的研究兴趣，其中能量采集/转换装置与储能装置成为最具前景的自驱动能量供应系统之一，然而作为自驱动系统核心部件的摩擦纳米发电装置在结构稳定性、耐用性、输出特性、能量转化效率、批量化加工制作的可行性等方便普遍存在一些问题需要进一步完善提升。
3D打印技术与摩擦纳米发电机这种能量收集/转换创新性技术相结合，对实现摩擦发电装置数字化批量生产提供了非常有前景的方案，对构建结构稳定、经久耐用、输出特性高的个性化摩擦纳米发电机提供更有效的加工制造方式，将加速摩擦纳米发电机的实用化应用进程。
发明内容
为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置，这种结构的波浪状弹性基底采用数字化3D打印技术通过柔性耗材一次性打印制作，由于柔性材料自身的弹性和波浪状弹性基底的合理设计，这种3D打印的便携式波浪式多层摩擦发电装置具有良好的回弹特性并且轻便易携带，容易实现内部摩擦层的充分接触分离进行发电，并且以数字化3D打印技术进行制作，可实现高精度、易于批量化制作、成本低廉、材料经久耐用、结构抗疲劳能力强、个性化程度高、输出特性高、转化效率高等优势。
本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置，其特征在于包括基于3D打印技术制作的波浪状弹性基底及粘附于波浪状弹性基底上由相对设置的第一摩擦单元和第二摩擦单元构成的摩擦发电单元，其中波浪状弹性基底设计制作时通过CAD软件设计制作，再经切片软件进行处理以获得程序代码，最后导入到3D打印机中进行打印制作形成由多个波浪形板逐层连接形成的波浪状弹性基底，其对应的曲面结构和成型尺寸经过不断尝试修正获得弹性较好的结构，波浪状弹性基底相邻曲面结构的相对侧分别设有第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元包括粘附于曲面结构上的背电极和粘附于背电极上的第一摩擦层或者包括粘附于曲面结构上的第一摩擦层，第二摩擦单元包括粘附于曲面结构上的背电极及粘附于背电极上的第二摩擦层，第一摩擦层和第二摩擦层相对设置且大小相同。
优选的，所述第一摩擦层与第二摩擦层是两种介电常数相差较大的薄膜材料，由于两种材料对电子的束缚能力不同，所以当第一摩擦层与第二摩擦层接触时，对电子束缚能力较强的材料摩擦后表面聚集大量负电荷，对电子束缚能力较弱的材料因失去电子而聚集大量正电荷，致使第一摩擦层与第二摩擦层对应的背电极之间存在电势差，当连通两电极时为了达到电势平衡而产生电流。
优选的，所述波浪状弹性基底对应的曲面结构尺寸大小、弹性基底的厚度以及曲面结构的弹性强度均能够依据受力环境的大小做出相应调整。
优选的，所述波浪状弹性基底的打印材料选用具有良好回弹特性的热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU）、热塑性弹性体（TPE）或可打印的弹性树脂制得。
优选的，所述第一摩擦单元与第二摩擦单元中的背电极均选用导电性良好的金属材料金、银、铂、铁、铜、铝或以上至少两种金属材料的合金，或者选用导电性良好的半导体导电碳层、导电石墨烯薄膜或柔性导电凝胶，当第一摩擦单元中的背电极为金属材料或合金时，该背电极同时作为第一摩擦层。
优选的，所述第一摩擦层为摩擦极性在摩擦序列中靠后的聚四氟乙烯、聚氯乙烯、维尼纶、聚苯乙烯或聚丙烯的薄膜材料，且薄膜厚度为50μm～1mm。
优选的，所述第二摩擦层为导电性良好的金属薄膜，金属薄膜厚度为100μm～1mm。
1、本发明所述的3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置中弹性基底的制作方式上，从设计到制作均采用数字化技术实现，这对于实现个性化定制设计、批量化生产制作，实现摩擦发电装置的产业化应用推广具有非常重要的意义。
2、本发明所述的3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置中弹性基底使用一体式结构，省去了基本框架结构需要使用紧固件进行固定、弹簧辅助回弹、各种组件进行装配的繁琐过程，并且3D打印出来的弹性基底结构非常稳定。
3、本发明所述的3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置可实现很多对摩擦层的接触分离，具有输出特性高，空间利用率高等优势，而且耐磨耐用，材料轻便易于携带，非常适合嵌入到可穿戴设备作为自驱动源使用。
附图说明
图1是本发明中波浪状弹性基底制作设备的结构示意图；
图2是本发明中波浪状弹性基底的结构示意图；
图3是本发明的结构示意图和局部放大图；
图4是本发明的短路电流数据图；
图5是本发明的开路电压数据图。
图中：1-线性打印材料；2-线性滚轮；3-波浪状弹性基底；4-3D打印机载物玻璃平台；5-喷嘴；6-加热头；7-第二摩擦层；8-第一摩擦层；9-背电极。
具体实施方式
结合附图详细描述本发明的技术方案，将设计好的三维目标文件经切片软件处理后获得的驱动3D打印机工作的代码文件，将代码文件导入到3D打印机当中进行目标文件的逐层堆叠成型形成由多个波浪形板逐层连接形成的波浪状弹性基底3。如图1所示，缠绕于线性滚轮2上的线性打印材料1经过加热头6被融化再经过更细的喷嘴5流出到3D打印机载物玻璃平台4上后迅速冷却凝固成型，使得被打印目标波浪状弹性基底3逐层堆积成型直至获得预期的目标模型。图2中所示即为打印完成后的波浪状弹性基底。波浪状弹性基底3打印完成后，如图4中所示，将经过裁剪后的第一摩擦层8贴附在背电极9上，随后一起贴附在波浪状弹性基底3的上部曲面结构上，将裁剪后的第二摩擦层7贴附与波浪状弹性基底3的下部曲面结构，所有第一摩擦单元中背电极9用导线并联以及所有第二摩擦单元中第二摩擦层7用导线并联实现摩擦纳米发电机的制作。
本具体实施方式中波浪状多层柔性摩擦发电装置包括一个3D打印制作的波浪状弹性基底，该波浪状弹性基底提供了8个简单的弹性单元可供放置第一摩擦单元和第二摩擦单元。
本具体实施方式中第二摩擦单元中所用第二摩擦层和背电极均采用薄铝箔，铺平时尺寸为：70mm×60mm×120μm；第一摩擦单元中所用的第一摩擦层均采用聚四氟乙烯薄膜，铺平尺寸均为：70mm×60mm×50μm。
所述的3D打印制作的波浪状柔性基底使用热塑性弹性体（TPE）线性耗材经熔融沉积式（FDM）3D打印机挤出逐层堆积而成，由于TPE具有传统回型橡胶的功能和性质，具有柔软、弹性、耐用、可简单回收再利用减少环境污染等优点，这使得整个结构具有良好的回弹特性，并且每个单元在外力作用下压缩时均可实现第一摩擦层与第二摩擦层的充分接触，当去掉外力时，在结构弹性回复作用下实现第一摩擦层与第二摩擦层的分离，进而完成接触-分离模式的发电过程。
根据上述对3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置的制作过程和工作原理的说明，在1~3Hz外力作用下对所述的摩擦纳米发电机电性能输出特性进行测量，如图4中所示，所述摩擦发电装置的瞬时开路电压可达600V。如图5中所示，所述摩擦发电装置的瞬时短路电流可高达1.7mA。并且所述摩擦发电装置可驱动250个LED灯，这无疑证明了该摩擦发电装置具有作为自驱动源供电的能力。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：本发明提出了一种3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置，使用数字化3D打印技术完成了结构简单但结构稳定性和耐用性都很高的基本结构制作，而且最重要的是成本低廉、输出特性高，非常适合批量化生产加工制作以推进摩擦发电装置的产业化进程
以上显示和描述了本发明的基本原理，主要特征和优点，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明的范围。
Claims (6)
1.一种3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置，其特征在于包括基于3D打印技术制作的波浪状弹性基底及粘附于波浪状弹性基底上由相对设置的第一摩擦单元和第二摩擦单元构成的摩擦发电单元，其中波浪状弹性基底设计制作时通过CAD软件设计制作，再经切片软件进行处理以获得程序代码，最后导入到3D打印机中进行打印制作形成由多个波浪形板逐层连接形成的波浪状弹性基底，其对应的曲面结构和成型尺寸经过不断尝试修正获得弹性较好的结构，波浪状弹性基底相邻曲面结构的相对侧分别设有第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元包括粘附于曲面结构上的背电极和粘附于背电极上的第一摩擦层或者包括粘附于曲面结构上的第一摩擦层，第二摩擦单元包括粘附于曲面结构上的背电极及粘附于背电极上的第二摩擦层，第一摩擦层和第二摩擦层相对设置且大小相同。
2.根据权利要求1所述的3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置，其特征在于：所述第一摩擦层与第二摩擦层是两种介电常数相差较大的薄膜材料，由于两种材料对电子的束缚能力不同，所以当第一摩擦层与第二摩擦层接触时，对电子束缚能力较强的材料摩擦后表面聚集大量负电荷，对电子束缚能力较弱的材料因失去电子而聚集大量正电荷，致使第一摩擦层与第二摩擦层对应的背电极之间存在电势差，当连通两电极时为了达到电势平衡而产生电流。
3.根据权利要求1所述的3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置，其特征在于：所述波浪状弹性基底对应的曲面结构尺寸大小、弹性基底的厚度以及曲面结构的弹性强度均能够依据受力环境的大小做出相应调整。
4.根据权利要求1所述的3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置，其特征在于：所述波浪状弹性基底的打印材料选用具有良好回弹特性的热塑性聚氨酯弹性体橡胶、热塑性弹性体或可打印的弹性树脂制得。
5.根据权利要求1所述的3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置，其特征在于：所述第一摩擦单元与第二摩擦单元中的背电极均选用导电性良好的金属材料金、银、铂、铁、铜、铝或以上至少两种金属材料的合金，或者选用导电性良好的半导体导电碳层、导电石墨烯薄膜或柔性导电凝胶，当第一摩擦单元中的背电极为金属材料或合金时，该背电极同时作为第一摩擦层。
6.根据权利要求1所述的3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置，其特征在于：所述第一摩擦层为摩擦极性在摩擦序列中靠后的聚四氟乙烯、聚氯乙烯、维尼纶、聚苯乙烯或聚丙烯的薄膜材料，且薄膜厚度为50μm～1mm。
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| CN (1) | CN110445412A (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111446882A (zh) * | 2020-03-07 | 2020-07-24 | 重庆大学 | 一种用于摩擦发电机的复合柔性碳凝胶电极及其制备方法 |
| CN111669070A (zh) * | 2020-05-20 | 2020-09-15 | 宁波诺丁汉新材料研究院有限公司 | 摩擦纳米发电机的电极、其制备方法及摩擦纳米发电机 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105958858A (zh) * | 2016-05-25 | 2016-09-21 | 西南交通大学 | 一种双层波浪形杂化纳米发电机 |
| CN107276450A (zh) * | 2017-06-07 | 2017-10-20 | 南京航空航天大学 | 基于介电型电活性聚合物的内凹波浪形负泊松比结构 |
| CN107959437A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-04-24 | 浙江大学 | 纸基的高性能摩擦纳米发电机 |
| CN108964511A (zh) * | 2018-08-30 | 2018-12-07 | 河南师范大学 | 一种基于3d打印技术的摩擦纳米发电机及其制作方法 |
| CN109245597A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-01-18 | 浙江大学 | 一种具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机及其方法 |
| CN109818521A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-05-28 | 西北工业大学深圳研究院 | 一种蜂窝式驻极体/静电能量采集器 |
-
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Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN105958858A (zh) * | 2016-05-25 | 2016-09-21 | 西南交通大学 | 一种双层波浪形杂化纳米发电机 |
| CN107276450A (zh) * | 2017-06-07 | 2017-10-20 | 南京航空航天大学 | 基于介电型电活性聚合物的内凹波浪形负泊松比结构 |
| CN107959437A (zh) * | 2017-12-21 | 2018-04-24 | 浙江大学 | 纸基的高性能摩擦纳米发电机 |
| CN108964511A (zh) * | 2018-08-30 | 2018-12-07 | 河南师范大学 | 一种基于3d打印技术的摩擦纳米发电机及其制作方法 |
| CN109245597A (zh) * | 2018-11-12 | 2019-01-18 | 浙江大学 | 一种具有高输出性能的耐腐蚀摩擦纳米发电机及其方法 |
| CN109818521A (zh) * | 2019-01-23 | 2019-05-28 | 西北工业大学深圳研究院 | 一种蜂窝式驻极体/静电能量采集器 |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111446882A (zh) * | 2020-03-07 | 2020-07-24 | 重庆大学 | 一种用于摩擦发电机的复合柔性碳凝胶电极及其制备方法 |
| CN111446882B (zh) * | 2020-03-07 | 2021-06-25 | 重庆大学 | 一种用于摩擦发电机的复合柔性碳凝胶电极及其制备方法 |
| CN111669070A (zh) * | 2020-05-20 | 2020-09-15 | 宁波诺丁汉新材料研究院有限公司 | 摩擦纳米发电机的电极、其制备方法及摩擦纳米发电机 |
| CN111669070B (zh) * | 2020-05-20 | 2021-10-15 | 宁波诺丁汉新材料研究院有限公司 | 摩擦纳米发电机的电极、其制备方法及摩擦纳米发电机 |
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