CN111245283A - 具有润滑剂的摩擦纳米发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提出了一种具有润滑剂的摩擦纳米发电机，包括两个互相滑动的摩擦部件，互相接触滑动的表面为具有不同表面电负性的材料，两个互相滑动的摩擦部件之间设置液体润滑剂，当两个互相滑动的摩擦部件之间滑动时，在表面摩擦起电效应和静电感应作用下，发电机对外产生电荷输出。本发明的技术方案能够降低材料的磨损，进而节约材料、延长更换周期、减少操作成本，最终降低发电成本。并且液体润滑剂作用下，减少空气中极性成分对电荷的传递；增加固体‑固体的有效接触面积，均有助于输出性能的提高。

Description

具有润滑剂的摩擦纳米发电机
技术领域
本发明涉及一种发电机，特别涉及一种将机械能转化为电能的具有润滑剂的摩擦纳米发电机。
背景技术
摩擦纳米发电机能够广泛收集周围环境中的机械能而用于收集能量和传感等多个领域。相比于传统的电磁式发电机，其具有发电效率高、质量轻、成本低等优点，自被提出后便引起了广泛的关注和研究。
滑动模式的摩擦纳米发电机具有更小的体积和更高的输出。
基于滑动式摩擦纳米发电机的典型结构，见图1a至图1c，包括第一摩擦层1、第一摩擦层下方接触放置的第一导电元件2、具有高电导率的第二摩擦层3(同时充当第二导电元件)。在施加一定压力使得所述第一摩擦层和第二摩擦层充分贴合，在两个摩擦层表面产生正负电荷，并且在所述施加外力的分力F作用下使得第一摩擦层1和第二摩擦层3发生滑动摩擦，随着接触面积的变化，在静电感应作用下，能够通过第一导电元件2和第二导电元件向外输出电信号。
随着压力的增加，第一摩擦层1和第二摩擦层3互相接触表面的磨损会变严重，输出性能下降。而当压力进一步升高时，会发生摩擦层的破裂，逐渐失去发电作用。
另外，由于第一摩擦层1和第二摩擦层3为不同的材料，随着滑动距离的增加，较软的摩擦层被不断剪切、形成小的磨屑，在较硬的摩擦层上形成转移膜，使得原有的第一摩擦层-第二摩擦层的有效接触减小，输出性能下降。
因此，目前因磨损而导致的低寿命是滑动模式摩擦纳米发电机的主要缺点。此外，在使用过程中，滑动模式摩擦纳米发电机的输出性能也会由于材料的磨损、氧化和老化等作用而大幅降低，使得发电的稳定性变差。
发明内容
本发明的目的是提供一种具有润滑剂的摩擦纳米发电机，通过在滑动式摩擦纳米发电机的相互滑动摩擦层的界面引入液体润滑剂，达到提高摩擦纳米发电机的寿命和稳定性，同时可以提高输出性能。
为了实现上述目的，本发明提供一种具有润滑剂的摩擦纳米发电机，包括两个互相滑动的摩擦部件，互相接触滑动的表面为具有不同表面电负性的材料，两个互相滑动的摩擦部件之间设置液体润滑剂，当两个互相滑动的摩擦部件之间滑动时，在表面摩擦起电效应和静电感应作用下，发电机对外产生电荷输出。
优选的，所述液体润滑剂的相对介电常数≤2.2。
优选的，所述液体润滑剂在25℃时的动力粘度≤0.2Pa·s。
优选的，所述液体润滑剂为液态烷烃或烷烃混合物、液态烯烃或烯烃混合物、低聚合度的聚烯烃等，如角鲨烷、液体石蜡或矿物油、变压器油、低粘度的聚α烯烃(PAOn，n≤10)中的一种或者几种。
优选的，所述两个互相滑动的摩擦部件中，一个摩擦部件包括第一摩擦层、所述第一摩擦层下方接触放置的第一导电元件，另一个摩擦部件包括具有高电导率的第二摩擦层，在所述第一摩擦层和第二摩擦层之间设置有所述液态润滑剂；
外力使得所述第一摩擦层和第二摩擦层充分贴合，并且施加外力使得所述第一摩擦层和第二摩擦层发生相对滑动摩擦，并且接触面积变化，能够通过所述第一导电元件和第二摩擦层向外输出电信号。
优选的，所述第一摩擦层为绝缘材料，优选为聚合物、聚合物基复合材料、氧化物陶瓷及其复合材料；
和/或，所述第二摩擦层为导电材料。
优选的，所述聚合物为聚酰亚胺薄膜、聚四氟乙烯薄膜、聚酰胺薄膜；所述氧化物陶瓷为氧化铝陶瓷、氧化硅陶瓷和氧化锆陶瓷等；所述聚合物基复合材料和氧化物陶瓷基复合材料所添加的填料为具有高介电常数的非导电性材料，优选为纳米二氧化钛、二氧化硅、氧化铝、钛酸锶、钛酸钡、钙钛矿和二硫化钼；
所述导电材料为金属及其形成的合金、导电氧化物或碳基导电材料；
优选的，若所述第一摩擦层采用软质的聚合物或聚合物基复合材料，则所述第二层摩擦材料为硬质金属和合金薄膜。
优选的，所述两个互相滑动的摩擦部件中，一个摩擦部件包括并排设置的第一电极层和第二电极层，另一个摩擦部件包括独立摩擦层，所述独立摩擦层与所述第一电极层和第二电极层滑动的表面之间包括所述液体润滑剂，当所述独立摩擦层在所述第一电极层和第二电极层之间滑动时，可以在所述第一电极层和第二电极层之间产生电信号输出。
优选的，所述独立摩擦层为聚合物绝缘材料，优选为聚合物、聚合物基复合材料、氧化物陶瓷及其复合材料；
和/或，所述第一电极层和第二电极层为金属及其形成的合金、导电氧化物或碳基导电材料，优选为铝箔或铜箔。
优选的，所述独立摩擦层为软质摩擦层，所述第一电极层和第二电极层为硬质电极层。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明首次将液体润滑剂加入到摩擦纳米发电机中，在保证固体-固体间的发电性能下，使得原有的“固体-气体-固体”区域变为“固体-液体-固体”，不仅降低材料机械能的磨损、减弱气体介质对材料表面的氧化和老化等作用、并且降低气体介质对输出性能的影响，最终获得具有高寿命、高稳定性的摩擦纳米发电机。
本发明的技术方案能够降低材料的磨损，进而节约材料、延长更换周期、减少操作成本，最终降低发电成本。本技术方案无需改变原有发电机的结构，操作简单。
在液体润滑剂作用下，一方面，液体能够排除空气，减少空气中极性成分对电荷的传递；另一方面，随着滑动次数的增加，固体-固体的有效接触面积也随之增加，二者均有助于输出性能的提高。
本发明采用低粘度液体作为润滑剂，能够保证有效的固体-固体接触从而保证其发电效率；采用低介电常数液体能够有效避免固体表面电荷的传递，从而避免造成发电效率的下降。
液体润滑剂使得发电机的摩擦力降低，减少了机械能的损耗，进而能够提高机械能的利用率。
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为现有滑动式摩擦纳米发电机的典型结构示意图；
图2为本发明具有液体润滑剂的摩擦纳米发电机的典型结构示意图；
图3为一种滑动式摩擦纳米发电机在干磨和角鲨烷润滑下的输出性能、Al磨损面的扫描电镜SEM图和三维图；
图4为干磨以及液体润滑下的摩擦界面示意图；
图5为PI-Al发电机长期在干磨和角鲨烷润滑下的磨损及输出性能曲线；
图6为PI-Al发电机在干磨以及不同液体润滑剂下的输出性能；
图7为液体的相对介电常数和粘度对输出性能的影响测试数据；
图8为另一种结构的摩擦纳米发电机结构示意图。
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。图中液体润滑剂示意较厚，只是为了在图中可以显示，并不是实际厚度。
本发明提供一种具有润滑剂的摩擦纳米发电机，典型结构参见图2所示，包括第一摩擦层10、第一摩擦层下方接触放置的第一导电元件11、具有高电导率的第二摩擦层20，以及添加在第一摩擦层10和第二摩擦层20之间的液态润滑剂30。施加一定外力使得第一摩擦层10和第二摩擦层20充分贴合，并且施加外力使得第一摩擦层10和第二摩擦层20发生在箭头A向左或者向右方向的相对滑动摩擦，随着第一摩擦层10和第二摩擦层20接触面积的变化，能够通过第一导电元件11和第二摩擦层20向外输出电信号。第二摩擦层20同时充当摩擦纳米发电机的第二导电元件。
为了便于操作，可以在第一导电元件11的下方和第二摩擦层20的上方分别接触放置绝缘层，再将绝缘层分别贴合在绝缘板上进行固定。在其他实施例中外力的施加方式可以有其他方式，这里不做进一步限定。
在所述绝缘板上施加一定压力使得所述第一摩擦层和第二摩擦层充分贴合，在所述绝缘板上施加外力使得所述第一摩擦层和所述第二摩擦层发生滑动摩擦，随着接触面积的变化，能够通过所述第一导电元件和第二导电元件向外输出电信号。实施例中，两个绝缘板采用厚度为4mm的亚克力板，绝缘层采用聚酰亚胺双面胶，其厚度为0.1mm。压力施加在上部绝缘板上方(采用范围为5～20N)，切向外力施加在下部绝缘板上，两个绝缘板带动第一摩擦层10和第二摩擦层20互相滑动位移为19mm，频率为0.5～3Hz。亚克力板与位移传感器相连，随着滑动次数的增加，磨损增加，位移传感器输出的数值增加。增加的位移表示磨损深度，增加值越大，磨损越严重。并且对摩擦力进行了测量。实施例中采集开路电压和短路电流。
本发明提供的采用液体润滑剂降低滑动摩擦发电机的技术可以适用现有的任意结构的滑动摩擦发电机，只要是两个具有不同表面电负性的材料互相滑动产生表面电荷分离，并在静电感应作用下产生电荷输出的结构均可以适用。可以将滑动摩擦发电机看作包括两个互相滑动的摩擦部件，互相接触滑动的表面为具有不同表面电负性的材料，两个互相滑动的摩擦部件之间设置液体润滑剂，当两个互相滑动的摩擦部件之间滑动时，在表面摩擦起电效应和静电感应作用下，发电机可以对外产生电荷输出，将机械能转变为电能。可以将第一摩擦层10和第一导电元件11作为一个摩擦部件，高电导率的第二摩擦层20作为另一个摩擦部件。
第一摩擦层10的材料可以为能够摩擦起电的任意聚合物绝缘材料，可以为聚合物、聚合物基复合材料、氧化物陶瓷及其复合材料。聚合物优选为聚酰亚胺薄膜、聚四氟乙烯薄膜、聚酰胺薄膜，氧化物陶瓷可以为氧化铝陶瓷、氧化硅陶瓷和氧化锆陶瓷等。聚合物基复合材料和氧化物陶瓷基复合材料所添加的填料为具有高介电常数的非导电性材料，优选为纳米二氧化钛、二氧化硅、氧化铝、钛酸锶、钛酸钡、钙钛矿和二硫化钼。
第二摩擦层20可以为任意导电材料，例如铝Al等金属材料。可以为金属及其形成的合金、导电氧化物和碳基导电材料。若所述第一摩擦层采用软质的聚合物或聚合物基复合材料，则所述第二摩擦层材料优选硬质金属和合金薄膜，如铝膜、铜膜和不锈钢膜，以确保含有液体时，所述第一摩擦层和第二摩擦层之间存在有效的固体接触。若所述第一摩擦层采用硬质的氧化物陶瓷或其复合材料，则所述第二摩擦层可采用碳基导电薄膜。
实施例1
第一摩擦层10采用厚度为0.025mm的聚酰亚胺薄膜(PI)，第二摩擦层20采用厚度为0.06mm的铝箔，得到摩擦面为PI-Al的摩擦纳米发电机(简称PI-Al)。
将角鲨烷(液态润滑剂30)滴加到第一摩擦层10表面，在10N、1Hz条件下运转1小时，采集开路电压，并分析磨损面。同时测试了未加任何液体润滑剂时即干磨条件下的结果，结果如图3所示，采用角鲨烷作为液体润滑剂30(图3中b图)能够显著增加输出性能，而在干磨条件下(图3中a图)，开路电压输出性能逐渐下降，最终稳定在一个较低的值。通过对磨损面的观察可知，干磨条件下，PI与Al摩擦产生的磨屑会附着在Al表面形成转移膜(图3中c图)，并会由于粗糙度的增加(图3中e图)，使得接触面积降低，最终使得输出性能下降。而液体润滑剂的加入，能够有效抑制转移膜的产生(图3中d图)，并且在液体润滑下，粗糙度降低(图3中f图)，使得有效接触面积增加，最终体现为输出性能的进一步上升。
本发明提供的摩擦纳米发电机的表面摩擦的机理示意图如图4所示。图4中上层为第一摩擦层10，下层为第二摩擦层20，图(a)和(c)表示干磨条件下表面摩擦过程界面作用示意图，图(b)和(d)表示液体润滑条件下的表面摩擦过程界面作用示意图。图(a)中100、110分别表示PI-Al之间的固体-固体接触和空气，图(c)中100表示PI产生的磨屑，110表示空气，12表示吸附在Al表面的PI转移膜，13表示PI-PI发生了直接接触从而降低了PI-Al之间的有效接触面积。图(b)中100表示PI-Al之间的固体-固体接触，30表示液体润滑剂角鲨烷，液态润滑剂30的存在能够排除掉原有的空气，并且阻止PI在Al表面形成转移膜12。因而在d中并未发现有转移膜生成，而是粗糙度的降低以及PI-Al有效接触面积的增加。并且在液体润滑剂的润滑下，摩擦阻力降低，能够提高机械能的利用率。
此外，液体润滑剂的使用能够大幅降低磨损，在该实施例中，经过36000次往复运行后，角鲨烷润滑下的磨损深度可忽略不计(如图5中(a)图中20、21、22以及图5中(b)图中20、21所示)。而在干磨条件下，PI在测试过程中磨损加剧、发生破裂(如图5中(a)图中10、11和图5(b)图中10所示)，Al表明产生很深的磨痕(如图5中(a)图中12和图5中(b)图中11所示)。
随着运行时间的增加，角鲨烷润滑下的输出性能逐步升高(图5中(c)图中曲线20所示)；相反，干磨条件下的输出性能则一直下降(图5中(c)图中曲线10所示)。角鲨烷润滑下的输出性能可达到干磨条件下稳定时期输出性能的3倍以上。
实施例2
第一摩擦层10采用厚度为0.05mm的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜，第二摩擦层20采用厚度为0.06mm的铝箔，得到摩擦面为PTFE-Al的摩擦纳米发电机(简称PTFE-Al)。采用与实施例1相同的液体润滑剂角鲨烷以及测试条件。结果显示，本技术方案同样适用于PTFE-Al，液体润滑下，输出性能升高、磨损大幅降低。而在干磨条件下，存在严重磨损以及输出性能的下降。
实施例3
对含有液体润滑的摩擦纳米发电机，液体的性质是影响发电机输出性能的关键。本发明通过对系列润滑液体输出性能的研究和总结后提出液体选择的重要指标：液体润滑剂的介电常数和粘度。提出采用低介电常数、低粘度液体润滑剂能够有效保障或提高输出性能。
实施例1中的PI-Al发电机在不同液体润滑下的输出性能对比。所用液体及主要性能——相对介电常数和动力粘度(mPa·s，25℃)如下。序号对应图6中的液体种类，其中1表示干磨。2-角鲨烷(相对介电常数2.09，动力粘度31.123)、3-液体石蜡或矿物油(2.1，43.47)、4-聚α烯烃PAO10(PAOn，n≤10)(2.13，132(21℃))、5-橄榄油(3.1，66)、6-菜籽油(3.1，57.6)、7-聚醚Pluriol A 500 PE(5.5，40mm2s-1—75℃下的运动粘度)、8-离子液体[Emim][NTf2](12，33.36)、9-聚乙二醇200(22.1，49.7)、10-水(80.1，0.89)。
在所选液体润滑下，开路电压和短路电流如图6所示。需要指出的是，在液体7～10的润滑下，输出性能可忽略不计。
参见图7，根据不同相对介电常数的液体润滑剂摩擦发电机的输出，当液体润滑剂的相对介电常数≤2.2时，液体润滑下的输出性能优于干磨条件下的。低介电常数有可以减弱电子的传递，而高介电常数则会促进电子的传递，进而降低输出性能。优选地，液体润滑剂的动力粘度≤0.2Pa·s(25℃)时，更有助于输出性能的提高。粘度过高则会导致液体膜厚过高，使得固体的有效接触面积减小。液体润滑剂还可以选用变压器油等低粘度润滑剂。液体润滑剂的使用，使得摩擦力降低到干磨条件下的17–46％。
实施例4
本实施例提供另一种典型结构的滑动摩擦纳米发电机，典型结构参见图8，一个摩擦部件包括并排设置的第一电极层210和第二电极层220，另一个摩擦部件包括独立摩擦层130，独立摩擦层130与第一电极层210和第二电极层220滑动的表面之间包括液体润滑剂30，当独立摩擦层130在第一电极层210和第二电极层220之间沿着箭头B方向滑动时，可以在第一电极层210和第二电极层220之间产生电信号输出，并且由于添加了液体润滑剂30，可以减少独立摩擦层与第一电极层210和第二电极层220之间的磨损提高稳定性，并且同时可以提高发电机的输出。
为了独立摩擦层130与第一电极层210和第二电极层220在液体润滑剂作用下能够保证有效的固体-固体接触比例，优选的，独立摩擦层130为软质摩擦层，第一电极层210和第二电极层220为硬质电极层，软质摩擦层与硬质电极层的配对使用，可以在保证发电效率的同时减少摩损和摩擦阻力。
本实施例中独立摩擦层130的材料可以与前述实施例中的第一摩擦层的材料相同。第一电极层和第二电极层的材料与前述所述例中第二摩擦层的材料相同。
本发明将液体润滑用于摩擦纳米发电机，在保证固体-固体间的发电性能下，原有的“固体-空气-固体”区域变为“固体-液体-固体”。从而实现(1)材料磨损降低，设备寿命延长；(2)摩擦阻力降低，设备稳定性提高，机械能使用效率提高；(3)抑制固体转移膜的生成，降低转移膜对输出性能的影响，同时还能促进固体-固体之间有效接触面积的增加；(4)排除原有空气，减少极性成分对电荷的传递，降低气体介质对输出性能的影响。最终获得具有高寿命、高稳定性、高输出性能的摩擦纳米发电机。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (10)

1.一种具有润滑剂的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括两个互相滑动的摩擦部件，互相接触滑动的表面为具有不同表面电负性的材料，两个互相滑动的摩擦部件之间设置液体润滑剂，当两个互相滑动的摩擦部件之间滑动时，在表面摩擦起电效应和静电感应作用下，发电机对外产生电荷输出。
2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述液体润滑剂的相对介电常数≤2.2。
3.根据权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，所述液体润滑剂在25℃时的动力粘度≤0.2Pa·s。
4.根据权利要求1-3任一项中所述的发电机，其特征在于，所述液体润滑剂为液态烷烃或烷烃混合物、液态烯烃或烯烃混合物、低聚合度的聚烯烃等，如角鲨烷、液体石蜡或矿物油、变压器油、聚α烯烃(PAOn，n≤10)中的一种或者几种。
5.根据权利要求1-4任一项中所述的发电机，其特征在于，所述两个互相滑动的摩擦部件中，一个摩擦部件包括第一摩擦层、所述第一摩擦层下方接触放置的第一导电元件，另一个摩擦部件包括具有高电导率的第二摩擦层，在所述第一摩擦层和第二摩擦层之间设置有所述液态润滑剂；
外力使得所述第一摩擦层和第二摩擦层充分贴合，并且施加外力使得所述第一摩擦层和第二摩擦层发生相对滑动摩擦，并且接触面积变化，能够通过所述第一导电元件和第二摩擦层向外输出电信号。
6.根据权利要求5所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层为绝缘材料，优选为聚合物、聚合物基复合材料、氧化物陶瓷及其复合材料；
和/或，所述第二摩擦层为导电材料。
7.根据权利要求6所述的发电机，其特征在于，所述聚合物为聚酰亚胺薄膜、聚四氟乙烯薄膜、聚酰胺薄膜；所述氧化物陶瓷为氧化铝陶瓷、氧化硅陶瓷和氧化锆陶瓷等；所述聚合物基复合材料和氧化物陶瓷基复合材料所添加的填料为具有高介电常数的非导电性材料，优选为纳米二氧化钛、二氧化硅、氧化铝、钛酸锶、钛酸钡、钙钛矿和二硫化钼；
所述导电材料为金属及其形成的合金、导电氧化物或碳基导电材料；
优选的，若所述第一摩擦层采用软质的聚合物或聚合物基复合材料，则所述第二层摩擦材料为硬质金属和合金薄膜。
8.根据权利要求1-4任一项中所述的发电机，其特征在于，所述两个互相滑动的摩擦部件中，一个摩擦部件包括并排设置的第一电极层和第二电极层，另一个摩擦部件包括独立摩擦层，所述独立摩擦层与所述第一电极层和第二电极层滑动的表面之间包括所述液体润滑剂，当所述独立摩擦层在所述第一电极层和第二电极层之间滑动时，可以在所述第一电极层和第二电极层之间产生电信号输出。
9.根据权利要求8所述的发电机，其特征在于，所述独立摩擦层为聚合物绝缘材料，优选为聚合物、聚合物基复合材料、氧化物陶瓷及其复合材料；
和/或，所述第一电极层和第二电极层为金属及其形成的合金、导电氧化物或碳基导电材料，优选为铝箔或铜箔。
10.根据权利要求9所述的发电机，其特征在于，所述独立摩擦层为软质摩擦层，所述第一电极层和第二电极层为硬质电极层。
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