CN110872425A - 复合摩擦电材料、摩擦纳米发电机和车辆自驱动传感系统 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种复合摩擦电材料，以及在制动能量利用方面的应用技术。复合摩擦电材料包括：改性热固化树脂、微纳增强纤维、摩擦性能调节剂、复合填料、摩擦电性能改性剂和其它余量材料。本发明基于摩擦纳米发电原理的新型制动能量收集转化技术，可以用于车辆及轨道交通上制动能量利用、电能转化及其自驱动传感的新技术，尤其是该能量转化技术及其摩擦电材料的制备工艺和方法，该技术在自动驾驶、智能驾驶以及车辆中的自驱动传感和安全预警等领域具有广泛的应用前景。

Description

复合摩擦电材料、摩擦纳米发电机和车辆自驱动传感系统

技术领域

本发明涉及能量转化领域，特别涉及一种新型复合摩擦电材料，以及应用其在制动领域的基于摩擦纳米发电技术的制动能量利用技术。

背景技术

摩擦纳米发电机已成为一项公认的新型、高效的能量转化新技术，其基本原理是基于摩擦起电和静电感应的耦合效应，利用摩擦在材料表面产生电荷，并使两者分离，从而产生极高的电势，驱动外电路的电子发生定向移动，可以实现自然环境中机械能量的有效收集并转化为电能，且已在能量转化效率、输出功率、耐久性等技术领域得到了巨大的提升。为低功耗电子器件电力供应提供了一个全新的解决方案，也为新能源材料、微纳能源转化技术提供了新思路。

当前，摩擦纳米发电机在诸多领域中实现了产业化或可行性应用推广，如空气净化、智能穿戴、AI等。摩擦纳米发电机常采用有机聚合物作为摩擦电材料，其具有优良的摩擦电性能及可靠的化学稳定性，不易与强酸、强碱和强氧化剂发生反应，对于一般溶剂也很稳定。然而，基于有机材料的摩擦纳米发电机的耐磨损和抗高温性能较差，在车辆和轨道交通中制动能量回收与转化、自驱动传感领域方面的应用仍存在一些缺陷：(1)随着摩擦纳米发电机在车辆、轨道交通、工业制动等领域探索的不断深入，已有摩擦纳米发电机的结构和组装技术很难满足该领域中温差、耐久、低成本、防水、易于产业化等要求，因此摩擦纳米发电机的结构需根据实际应用需要进一步优化和改进；(2)现有商用有机摩擦电材料的性能已无法满足该领域需具备耐磨损和抗高温性能的需求，由此需要开发与之相匹配的高性能摩擦电材料；(3)摩擦纳米发电机组装工艺及高性能、耐磨、耐高温的摩擦电材料的制备技术需利于产业化推广。

综上所述，现有摩擦纳米发电机结构及其摩擦电材料已不能满足在车辆、轨道交通、工业制动应用领的要求。当前，国内外尚无于基于摩擦纳米发电原理的制动能量收集转化技术的研究，尤其针对其应用于车辆及轨道交通上制动能量回收、电能转化及其自驱动传感的新技术的研究尚无报道，特别是涉及该制动能量收集转化技术及其摩擦电材料的制备工艺、可应用在自动驾驶、智能驾驶以及车辆中的自驱动传感和安全预警等领域的经验和方法更无可借鉴的成熟技术。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有高耐磨性能的复合摩擦电材料，以及其在基于摩擦发电机基础上的制动能量收集转化技术，是指一种应用于车辆及轨道交通上制动能量回收、电能转化及其自驱动传感的新技术，可以在自动驾驶、智能驾驶以及车辆中的自驱动传感和安全预警等领域的应用技术。

本发明提供一种复合摩擦电材料，包括：改性热固化树脂、微纳增强纤维、摩擦性能调节剂、复合填料、摩擦电性能改性剂和其它余量材料。

优选的，各组分的质量分数配比为：改性热固化树脂6％～12％、微纳增强纤维20％～30％、摩擦性能调节剂30％～40％、复合填料15％～25％、摩擦电性能改性剂5％～15％和其它余量材料<0.5％。

优选的，所述改性热固化树脂，包括纳米铜改性酚醛树脂、纳米铝改性酚醛树脂、三聚氰胺改性酚醛树脂以及其它纳米金属颗粒改性酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂、有机改性硼酸、改性酚醛树脂、氰酯改性酚醛树脂、环氧改性酚醛树脂、热塑性聚酰亚胺树脂或有机改性悬浮法树脂；

和/或，所述微纳增强纤维：包括玻璃纤维、微纳金属颗粒改性的玻璃纤维、陶瓷纤维和芳纶纤维，以及碳纤维、钢纤维、铜纤维、铝纤维、矿物纤维、纤维素纤维、钛酸钾晶须或海泡石纤维；

和/或，所述摩擦性能调节剂：润滑剂或研磨剂；其中，所述润滑剂包括石墨或各种类型的金属硫化物；所述研磨剂包括改性锆氧化物、改性硅酸锆、改性氧化铝、碳化硅或二氧化硅；

和/或，所述复合填料：包括鳞片石墨、碳酸钙、硫化锑，铁粉、硫酸钡、长石粉、铜粉、云母、滑石、蛭石、高岭土或橡胶粉。

和/或，所述摩擦电性能改性剂包括：聚四氟乙烯、可溶性聚四氟乙烯、聚全氟乙烯丙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚三氟氯乙烯、K-1聚碳酸酯或聚酯。

本发明还提供一种摩擦纳米发电机，包括上述任一项中所述复合摩擦电材料作为摩擦层。

优选的，在所述复合摩擦电材料的下表面设置电极层，所述电极层与地或者等电位电连接；

外部部件与所述复合摩擦电材料摩擦时，在所述电极层与地或者等电位之间产生电信号。

本发明还提供一种制动装置，包括，上述所述的摩擦纳米发电机。

本发明还提供一种制动能量利用方法，制动装置中包括上述任一项中所述复合摩擦电材料，在制动力作用下，制动装置的复合摩擦电材料与待制动部件进行摩擦制动，在与所述复合摩擦电材料接触设置的电极层与地或者等电位之间产生电信号。

本发明还提供上述任一项中所述复合摩擦电材料在制动装置的应用。

优选的，所述复合摩擦电材料作为刹车片。

本发明还提供一种车辆自驱动传感系统，包括：

多个振动型摩擦纳米发电机，用于将车辆振动的能量转变为电能；在每个车轮附近设置1个所述振动型摩擦纳米发电机，多个所述振动型摩擦纳米发电机组成自驱动传感系统，用于车辆的超重、偏重或胎压的监测。

优选的，还包括储能、无线信号发射及控制部件。

优选的，所述振动型摩擦纳米发电机结构包括：外壳、外壳内相对设置的2个电极，以及若干个振动球；其中，所述振动球采用陶瓷材料或者有机物材料。

本发明的技术方案有下列优点：

1、本发明提供的新型的复合摩擦电材料，克服了传统材料的在车辆及轨道交通领域的不足，具备良好的耐磨损和耐高温性能，并且摩擦电性能优异。复合摩擦电材料制备流程简单，制备方法精准，材料表面均匀、光滑且具备防潮防湿的超疏水功能，满足车辆及轨道交通领域应用的物化性能、机械性能等要求。

2、通过独创性的结构设计，采用复合摩擦电材料的摩擦纳米发电机能够进一步提高制动能量收集和转化的效率；

3、该独创的复合式摩擦纳米发电机的装配工艺简单、所需材料及加工成本低，满足车辆及轨道交通领域对温差、耐久性、低成本、防水、易于产业化等要求，易于产业化推广。

4、本发明相比于传统的制动能量利用方法，工作原理和运行方式明显不同，其结构简单，易于施工及车辆装配，克服了传统制动能量回收系统所需的电机、动力蓄电池电控单元、能量回收电控单元、电机电控单元等模块，且需要与车辆主体部分融为一体相辅相成，如发动机和变速箱等；本发明还展现出了非常明显的低成本优势，仅需要更换或改装车辆刹车钳和刹车片部件即可。

5、基于本发明的制动能量收集利用方法，可作为车辆的自驱动传感系统，用于监测和预警车辆行驶安全，包括超重、偏载、胎压等。

本发明涉及一种基于摩擦纳米发电原理的新型制动能量收集转化技术，可以用于车辆及轨道交通上制动能量利用、电能转化及其自驱动传感的新技术，尤其是该能量转化技术及其摩擦电材料的制备工艺和方法，该技术在自动驾驶、智能驾驶以及车辆中的自驱动传感和安全预警等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为采用复合摩擦电材料的单电极结构摩擦纳米发电机的结构示意图；

图2为在车辆中设置振动摩擦纳米发电机形成传感网络的车辆结构示意图；

图3为振动摩擦纳米发电机的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

本发明提供的复合摩擦电材料，包括改性热固化树脂、微纳增强纤维、摩擦性能调节剂、复合填料、摩擦电性能改性剂和其它余量材料(<0.5％)。这些材料通过热压成型形成复合摩擦电材料。

改性热固化树脂：质量分数比例可以为6～12％,具体可以包括纳米铜改性酚醛树脂、纳米铝改性酚醛树脂、三聚氰胺改性酚醛树脂以及其它纳米金属颗粒改性酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂、有机改性硼酸、改性酚醛树脂、氰酯改性酚醛树脂、环氧改性酚醛树脂、热塑性聚酰亚胺树脂、有机改性悬浮法树脂等。

微纳增强纤维：质量分数比例可以为20～30％，具体可以包括玻璃纤维、微纳金属颗粒改性的玻璃纤维、陶瓷纤维和芳纶纤维，以及碳纤维、钢纤维、铜纤维、铝纤维、矿物纤维、纤维素纤维、钛酸钾晶须和海泡石纤维等。

摩擦性能调节剂：质量分数比例可以为30～40％，摩擦性能调节剂是指能改进摩擦系数和磨损率的添加材料，分为润滑剂和研磨剂两大类。常用的润滑剂包括石墨和各种类型的金属硫化物，石墨、鳞片石墨、混合石墨等。研磨剂具体应包括改性锆氧化物、改性硅酸锆、改性氧化铝、碳化硅、二氧化硅等。

复合填料：质量分数比例可以为15～25％,主要包括有机填料和无机填料两大类，具体应包括鳞片石墨、碳酸钙、硫化锑，铁粉、硫酸钡、长石粉、铜粉、云母、滑石、蛭石、高岭土、橡胶粉和以及其它稳定、耐磨、降噪、环保材料等。

摩擦电性能改性剂：质量分数比例可以为5～15％,具体可以包括：聚四氟乙烯(PTFE)、可溶性聚四氟乙烯(PFA)、聚全氟乙烯丙烯(FEP)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚三氟氯乙烯(PCTFE)、K-1聚碳酸酯、聚酯(PETP)等极化后具有摩擦起电性能的有机高分子材料。

其它余量材料：质量分数比例为<0.5％,通常为加工过程中由于操作、机械设备等引入的杂质。

本发明的复合摩擦电材料在确保材料具备耐磨性、耐高温基础上，显著增强了摩擦过程中摩擦电材料的表面电荷密度，提高了发电机的输出性能，使摩擦纳米发电机在极端恶劣的工况环境下收集转化能量成为可能。

下面介绍一下复合摩擦电材料的制备过程，具体步骤如下：

(1)原材料按照质量分数配比为：改性热固化树脂6％～12％、微纳增强纤维20％～30％、摩擦性能调节剂30％～40％、复合填料15％～25％、摩擦电性能改性剂5％～15％和其它余量材料(<0.5％)。

(2)根据配方总质量，利用电子天平按配方比例称取原材料。

(3)将上述原材料均匀混料。

利用球磨机进行均匀混掺杂、混合处理。首先对改性热固化树脂进行分散处理10～60分钟，再将增强纤维填入进行掺杂处理，处理时间20～120分钟，最后将其它组份填入混合处理30～60分钟，获得热压成型均匀混料。

(4)热压成型。在热压机模具上刷好脱模剂并预热至110～150℃温度范围内，模具规格需根据需要制作，模腔内依次投入预定质量的模压料，表面盖上金属电极薄板，厚度为0.1～1毫米，设定热压机工作参数进行热压成型，温度范围120～180℃，压力范围15～30MPa。

(5)固化成型。将热压成型的复合摩擦电片材放入台式干燥箱中，进行干燥固化，固化时间6～12小时，固化温度40～80℃。

(6)制样。利用切割机、打磨机和抛光机等设备，对复合摩擦电材料进行表面处理，根据需要制作加工成满足工程需要的摩擦电材料成品。

制备厚度为4～8毫米的复合摩擦电材料，作为单电极模式摩擦纳米发电机的摩擦电层，参见图1，在复合摩擦电材料10的下表面设置电极层20，电极层20与地或者等电位40电连接，与外部车辆轮毂100等待制动部件一起构成单电极结构的摩擦纳米发电机。其他外部部件与复合摩擦电材料10摩擦时，也可以在电极层与地或者等电位之间产生电信号。

本发明还提供复合摩擦电材料的应用，特别是在制动装置中的应用。以复合摩擦电材料作为刹车片为例，在制动过程中可以实现摩擦发电，具体过程如下当在制动力作用下复合摩擦材料层10与车辆轮毂100发生接触和分离，由于复合摩擦材料层10与车辆轮毂100的摩擦电性质不同，二者之间存在得电子能力的差异，基于摩擦起电和静电感应的耦合效应，会在检测装置或者用电器30上产生电荷流动，实现制动能量的有效收集和电能转化。

一个具体的复合摩擦电材料，其中各组分的质量配比改性热固化树脂为8.5％、微纳增强纤维为23％、摩擦性能调节剂为35.5％、复合填料为21％、摩擦电性能改性剂为11.5％和其它余量材料为0.5％。尺寸为30*40*0.2mm。制成的单电极结构的摩擦纳米发电机，连续工作3000个周期后，复合式的摩擦纳米发电机表现出了较高的稳定性，其开路电压、短路电流密度、转移电荷密度的平均值达到了210V,26A/cm²和32C/cm²。

将上述的应用复合摩擦电材料可以应用在多种摩擦起电领域，现有的多种摩擦纳米发电机均可以使用。

具体的将上述图1所示的单电极摩擦纳米发电机应用在汽车轮毂上，用于吸收制动能量转变为电能，该电能可以为汽车中的用电器提供电源。另外，可以在车辆上设置摩擦纳米发电机作为自驱动传感器，形成车辆自驱动传感系统参，见图2，在轮胎附近设置振动型摩擦纳米发电机，如在每个车轮附近设置1个振动型摩擦纳米发电机1、2、3、4，以及自驱动传感网络的储能、无线信号发射及控制部件5；对车辆的状态进行自驱动传感。自驱动传感网络的储能、无线信号发射及控制部件5，用于对振动型摩擦纳米发电机的能量储存、信号发射等作用。在车辆行进过程中，利用车辆的振动能量，每个振动型摩擦纳米发电机产生的电信号作为传感信号，多个振动型摩擦纳米发电机组成自驱动传感系统，用于车辆的超重、偏重、胎压的监测与预警，展现了非常好的稳定性和准确性。

振动型摩擦纳米发电机的结构可以有多种，能够利用机动车或者列车振动的能量发电的结构均可以使用。具体的可以使用图3中的振动型摩擦纳米发电机结构，包括外壳11、外壳内相对设置的2个电极12，以及若干个振动球13，振动球13可以采用陶瓷材料或者有机物材料。在车辆振动时，振动球13与电极12互相碰撞，在两个电极之间形成电信号，可以作为车辆状态的传感信号。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。例如，各部件的形状、材质和尺寸的变化。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (12)

1.一种复合摩擦电材料，其特征在于，包括：改性热固化树脂、微纳增强纤维、摩擦性能调节剂、复合填料、摩擦电性能改性剂和其它余量材料。

2.根据权利要求1所述的材料，其特征在于，各组分的质量分数配比为：改性热固化树脂6％～12％、微纳增强纤维20％～30％、摩擦性能调节剂30％～40％、复合填料15％～25％、摩擦电性能改性剂5％～15％和其它余量材料<0.5％。

3.根据权利要求1或2所述的材料，其特征在于，

所述改性热固化树脂，包括纳米铜改性酚醛树脂、纳米铝改性酚醛树脂、三聚氰胺改性酚醛树脂以及其它纳米金属颗粒改性酚醛树脂、有机硅改性酚醛树脂、有机改性硼酸、改性酚醛树脂、氰酯改性酚醛树脂、环氧改性酚醛树脂、热塑性聚酰亚胺树脂或有机改性悬浮法树脂；

和/或，所述微纳增强纤维：包括玻璃纤维、微纳金属颗粒改性的玻璃纤维、陶瓷纤维和芳纶纤维，以及碳纤维、钢纤维、铜纤维、铝纤维、矿物纤维、纤维素纤维、钛酸钾晶须或海泡石纤维；

和/或，所述摩擦性能调节剂：润滑剂或研磨剂；其中，所述润滑剂包括石墨或各种类型的金属硫化物；所述研磨剂包括改性锆氧化物、改性硅酸锆、改性氧化铝、碳化硅或二氧化硅；

和/或，所述复合填料：包括鳞片石墨、碳酸钙、硫化锑，铁粉、硫酸钡、长石粉、铜粉、云母、滑石、蛭石、高岭土或橡胶粉。

和/或，所述摩擦电性能改性剂包括：聚四氟乙烯、可溶性聚四氟乙烯、聚全氟乙烯丙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏氟乙烯、聚三氟氯乙烯、K-1聚碳酸酯或聚酯。

4.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，包括权利要求1-3任一项中所述复合摩擦电材料作为摩擦层。

5.根据权利要求4所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，在所述复合摩擦电材料的下表面设置电极层，所述电极层与地或者等电位电连接；

外部部件与所述复合摩擦电材料摩擦时，在所述电极层与地或者等电位之间产生电信号。

6.一种制动装置，其特征在于，包括，权利要求5所述的摩擦纳米发电机。

7.一种制动能量利用方法，其特征在于，制动装置中包括权利要求1-3任一项中所述复合摩擦电材料，在制动力作用下，制动装置的复合摩擦电材料与待制动部件进行摩擦制动，在与所述复合摩擦电材料接触设置的电极层与地或者等电位之间产生电信号。

8.权利要求1-3任一项中所述复合摩擦电材料在制动装置的应用。

9.根据权利要求8所述的应用，所述复合摩擦电材料作为刹车片。

10.一种车辆自驱动传感系统，其特征在于，包括：

多个振动型摩擦纳米发电机，用于将车辆振动的能量转变为电能；在每个车轮附近设置1个所述振动型摩擦纳米发电机，多个所述振动型摩擦纳米发电机组成自驱动传感系统，用于车辆的超重、偏重或胎压的监测。

11.根据权利要求10所述的传感系统，其特征在于，还包括储能、无线信号发射及控制部件。

12.权利要求10或11所述的传感系统，其特征在于，所述振动型摩擦纳米发电机结构包括：外壳、外壳内相对设置的2个电极，以及若干个振动球；其中，所述振动球采用陶瓷材料或者有机物材料。

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