CN112886853B - 一种复合材料及利用该材料的摆动式摩擦纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复合材料以及利用该材料的摆动式摩擦纳米发电机，所述复合材料为层状结构，从上到下依次为第一电极层、绝缘层、第二电极层、PTFE摩擦层、第三电极层、BaTiO3压电复合层和第四电极层，其中，第一电极层、绝缘层、第二电极层、PTFE摩擦层为拱形结构。所述摆动式摩擦纳米发电机包括调节支架、偏心转轮、外壳、复合材料、转轴及轴承；调节支架包括底座、固定在底座上的调节螺杆；偏心转轮设置在外壳内，外壳固定在底座上，复合材料粘附在外壳内壁；偏心转轮由各三个实心叶片和空心叶片组成，并通过转轴固定在调节螺杆上。本发明提供的复合材料同时具有摩擦电与压电特性，在受到压力发生摩擦时可以产生更高的电荷输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合材料及利用该材料的摆动式摩擦纳米发电机，属于摩擦纳米发电技术领域。
背景技术
摩擦纳米发电机是一种基于摩擦起电与静电感应原理的微型起电装置。利用两种电负性相差较大的材料间相互摩擦产生异种摩擦电荷，在外界激振作用下两种起电材料间相对位置发生变化产生电势差，连接外电路与感应电极后，在电势差的驱动下，外电路中的自由电荷就可以发生定向移动产生电能输出。摩擦纳米发电机适用于对环境或人体中微小能量的收集与利用。
现阶段对摩擦纳米发电机的研究主要集中在接触分离式与接触滑动式领域，虽然依靠接触摩擦起电能够获得较大的电压，但是接触式摩擦纳米发电机在运转过程中，起电材料之间频繁的受力接触摩擦会让摩擦材料产生磨损，出现热效应，摩擦力的存在也会显著降低装置的运转时间，影响摩擦纳米发电机装置的使用寿命与能量转换效率。同时现阶段对于摩擦纳米发电机电负性材料的选择比较单一，具有很大的局限性，在摩擦纳米发电机正常运转过程中，单一性质的摩擦材料往往不能充分发挥其电负性，不能产生足够的摩擦电荷，因此亟需一种具有更强电荷输出能力的复合材料。
发明内容
目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种复合材料及利用该材料的摆动式摩擦纳米发电机。
由于环境中的微型能量如水波能、风能等具有低频特性，为了收集这类能量就需要一种适用于低频激振状态下的摩擦纳米发电机结构。而摆动具有类简谐运动的性质，其偏心结构能够在外界激振力作用下实现更长时间的运动。同时摩擦纳米发电机在正常工作过程中，两种起电材料发生接触摩擦时也会产生压应力，而压电材料的正压电效应能够将材料所受压应力转化为上下表面的电势差，因此将摩擦电效应与压电效应结合后，摩擦纳米发电机就可以实现更高的电能输出。
钛酸钡（BaTiO3）是钛酸盐系电子陶瓷的主要原料，固态时可呈现五种晶体结构，是一种具有优异介电性能的铁电材料，也是电子陶瓷中使用最广泛的材料之一。结合本发明所述摆动式摩擦纳米发电机的运动状态，BaTiO3微粒能够很好的适用于装置材料的受压状态而触发压电效应，因此在所述复合材料的制备中，选择BaTiO3微粒作为重要的压电材料复合项。
本发明提供的技术方案如下：
一种复合材料，所述复合材料为层状结构，从上到下依次为第一电极层、绝缘层、第二电极层、PTFE摩擦层、第三电极层、BaTiO3压电复合层和第四电极层，其中，第一电极层、绝缘层、第二电极层、PTFE摩擦层为拱形结构。
进一步地，所述第一电极层、第二电极层、第三电极层的材料相同，由75wt%镀银玻璃微珠混入相同质量的HTV硅胶基体中制得。
进一步地，所述PTFE摩擦层由50wt%PTFE微粒混入相同质量的HTV硅胶基体中制得。
进一步地，将PTFE摩擦层表面刻蚀成纳米结构，改善表面粗糙度，提高起电能力。
进一步地，所述BaTiO3压电复合层由85wt%钛酸钡微粒混入相同质量的HTV硅胶基体中制得。
进一步地，将BaTiO3压电复合层在电场中极化处理1h，提升压电性能。
一种利用上述复合材料的摆动式摩擦纳米发电机，包括调节支架、偏心转轮、外壳、复合材料、转轴及轴承；
所述调节支架包括底座，所述底座上固定有两根相互平行的调节螺杆；所述偏心转轮设置在外壳内，外壳固定在底座上；所述偏心转轮由相同数量的实心叶片和空心叶片组成，实心叶片和空心叶片的连接中心设有轴承孔，所述轴承孔内设置轴承，转轴穿过轴承，所述转轴的两端固定在调节螺杆上，并用调节螺母锁紧；所述实心叶片外侧端部开有销孔，销孔内对应配置有销轴；
所述复合材料通过绝缘胶粘附在外壳内侧，覆盖外壳整个内侧区域；在偏心转轮的整体外表面粘附单层PTFE摩擦层。
进一步地，所述调节螺杆上设有U型通槽，两个调节螺杆上的U型通槽相对；转轴的两端穿过U型通槽，调节螺杆上配置有调节螺母进行固定。
所述转轴为曲轴形式，包括两端直角弯折部分和中间的直线段；两端直角弯折部分的轴颈分别穿过两根调节螺杆的U型通槽，并使用调节螺母锁紧固定；两端直角弯折部分的轴颈与中间直线段主轴的垂直距离小于1cm。
进一步地，所述外壳内侧刻有若干个线槽。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明设计的摆动式摩擦纳米发电机结构在受到外界激振时可以实现更长时间的运转，在低频率的自然环境能量收集中具有更高的电能输出能力；
（2）可调节支架的设计，解决了现阶段摩擦纳米发电机装置中两种起电材料间距不可调节的问题；
（3）所述复合材料同时具有摩擦电与压电的特性，在受到压力并发生摩擦时可产生更高的电荷输出。
附图说明
图1为本发明摆动式摩擦纳米发电机的结构示意图；
图2为本发明的复合材料的层状结构示意图；
图3为本发明的调节支架的结构示意图；
图4为本发明的偏心转轮的结构示意图；
图5为本发明的转轴结构示意图；
图6为实施例中两组复合材料连接外电路的电路示意图。
图中标记：1.调节支架，2.转轴，201.转轴第一弯折角，202.转轴第二弯折角，203.转轴第三弯折角，204.转轴第四弯折角，205.转轴第一轴颈，206.转轴第二轴颈，207.转轴主轴，3.偏心转轮，4.线槽，5.外壳，6.轴承，7.第一电极层，8.第二电极层，9.第三电极层，10.第四电极层，11.绝缘层，12.PTFE摩擦层，13. BaTiO3压电复合层，14.U型通槽，15.底座，16.调节螺母，17.调节螺杆，18.实心叶片，19.轴承孔，20.空心叶片，21.销孔，22.外电路电阻，23.单层PTFE摩擦层。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作更进一步的说明。
在本发明的描述中，需要说明的是，“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等词指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是本发明产品使用时常规摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。还需要说明的是，除非另有明确规定和限定，术语“设置”、“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体式连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例
一种复合材料为层状结构，如图2所示，从上到下依次为第一电极层7、绝缘层11、第二电极层8、PTFE摩擦层12、第三电极层9、BaTiO3压电复合层13和第四电极层10，其中，第一电极层7、绝缘层11、第二电极层8、PTFE摩擦层12为拱形结构，拱形结构的存在，使得复合材料受到水平方向外力时，产生摩擦作用；受到垂直方向外力时，产生压电效应。
所述复合材料的制备过程如下：
S1.1 将85wt%钛酸钡微粒混入相同质量的HTV硅胶基体中，制得BaTiO3压电复合材料，将BaTiO3压电复合材料在170℃20MPa环境下硫化处理，成型后进行二次硫化以除去过量的硫化剂，得到BaTiO3压电复合层13；将BaTiO3压电复合层13在电场中极化处理1h，提升压电性能。
S1.2 将50wt%的PTFE微粒混入相同质量的HTV硅胶基体中制得PTFE摩擦复合材料，将PTFE摩擦复合材料在170℃20MPa环境下硫化处理，成型后进行二次硫化以除去过量的硫化剂，得到PTFE摩擦层12；PTFE摩擦层12表面通过电感耦合等离子体技术刻蚀成纳米结构以改善表面粗糙度，提高起电能力。
S1.3 将7wt%的镀银玻璃微珠混入到相同质量的HTV硅胶基体中制得电极复合材料，将电极复合材料在170℃20MPa环境下硫化处理，成型后进行二次硫化以除去过量的硫化剂，得到第一电极层7、第二电极层8、第三电极层9、第四电极层10。
S1.4 绝缘层11为不掺杂的HTV硅胶基体。
S1.5 将上述得到的第一电极层7、绝缘层11、第二电极层8、PTFE摩擦层12、第三电极层9、BaTiO3压电复合层13和第四电极层10按序叠加压合，形成层状拱形结构。
本实施例中的钛酸钡微粒、HTV硅胶基体、PTFE微粒、镀银玻璃微珠原料均为现有材料，可直接在市面上购得。
利用上述方法所制得的复合材料，制备摆动式摩擦纳米发电机。
如图1所示，所述摆动式摩擦纳米发电机包括调节支架1、偏心转轮3、外壳5、复合材料、转轴2及轴承6。如图3所示，所述调节支架1包括底座15，所述底座15上开设有两个螺纹孔，调节螺杆17插入螺纹孔进而固定在底座15上；所述调节螺杆17上加工有U型通槽14，两个调节螺杆17上的U型通槽14位置相对，可供转轴2穿过。所述底座15的制作材料选择密度较大的材料，以降低整体装置的中心，保证装置的运转稳定性。
所述偏心转轮3设置在外壳5内，外壳5固定在底座15上；如图4所示，所述偏心转轮3由三个实心叶片18和三个空心叶片20组成，实心叶片18和空心叶片20的连接中心设有轴承孔19，所述轴承孔19内设置轴承6。如图5所示，转轴2为曲轴形式，包括两端直角弯折部分和中间的直线段，中间直线段为转轴主轴207，两端直角弯折部分包括转轴第一弯折角201、转轴第二弯折角202、转轴第三弯折角203、转轴第四弯折角204以及转轴第一轴颈205和转轴第二轴颈206；转轴第一轴颈205和转轴第二轴颈206与中间的转轴主轴207的垂直距离为2mm。所述转轴主轴207穿过轴承6，所述转轴第一轴颈205和转轴第二轴颈206分别穿过U型通槽14，并用调节螺母16锁紧固定；转轴两端轴颈可在U型通槽14内上下调整位置，从而实现调节外壳5与偏心转轮3间距的目的。所述实心叶片18外侧端部开有销孔21，销孔21内对应设有销轴，销孔与销轴配合调节偏心转轮的偏心度。
所述复合材料通过绝缘胶粘附在外壳5内侧，覆盖外壳的整个内侧区域；在偏心转轮的实心叶片和空心叶片外表面均粘附单层PTFE摩擦层23。单层PTFE摩擦层23的制备与复合材料中的PTFE摩擦层12的制备方法相同。所述外壳5内侧刻有若干线槽4，粘附在外壳5内侧的复合材料通过线槽4连接外电路。
利用上述实施例得到的摆动式摩擦纳米发电机进行发电的原理阐述如下：
单层PTFE摩擦层23粘附在偏心转轮3的叶片外表面，将两组复合材料粘附在所述外壳5的内壁，两组复合材料均连接外电路，电路图如图6所示，其中标记22为外电路电阻。当所述摆动式摩擦纳米发电机受到外界激振时，所述偏心转轮3绕所述转轴2往复摆动，当其摆动到最低点，所述偏心转轮3上的单层PTFE摩擦层23与所述外壳5内壁上的复合材料的第一电极层7发生接触摩擦，由于材料的电负性差异，所述单层PTFE摩擦层23与第一电极层7间通过摩擦带上等量异种电荷，处于接触摩擦状态的第一电极层7与另一组处于初始状态的第一电极层件随所述偏心转轮3的摆动分离而产生电势差。与此同时，PTFE摩擦层12也会与第三电极层9发生接触摩擦，同理会在第二电极层8与第三电极层9之间产生电势差。当所述偏心转轮3摆动到最低点与所述复合材料发生接触摩擦时，其对于复合材料施加的压应力也会触发所述BaTiO3压电复合层13的压电效应，在第三电极层9与第四电极层10间会产生压电电势差。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种利用复合材料的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述复合材料为层状结构，从上到下依次为第一电极层、绝缘层、第二电极层、PTFE摩擦层、第三电极层、BaTiO3压电复合层和第四电极层，其中，第一电极层、绝缘层、第二电极层、PTFE摩擦层为拱形结构；
所述摆动式摩擦纳米发电机包括调节支架、偏心转轮、外壳、复合材料、转轴及轴承；
所述调节支架包括底座，所述底座上固定有两根相互平行的调节螺杆；所述偏心转轮设置在外壳内，外壳固定在底座上；所述偏心转轮由相同数量的实心叶片和空心叶片组成，实心叶片和空心叶片的连接中心设有轴承孔，所述轴承孔内设置轴承，转轴穿过轴承，所述转轴的两端固定在调节螺杆上，并用调节螺母锁紧；所述实心叶片外侧端部开有销孔，销孔内对应配置有销轴；
所述复合材料通过绝缘胶粘附在外壳内侧，在偏心转轮的整体外表面粘附单层PTFE摩擦层；
所述调节螺杆上设有U型通槽，两个调节螺杆上的U型通槽相对；转轴的两端穿过U型通槽，调节螺杆上配置有调节螺母进行固定。
2.根据权利要求1所述的利用复合材料的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一电极层、第二电极层、第三电极层的材料相同，由75wt%镀银玻璃微珠混入相同质量的HTV硅胶基体中制得。
3.根据权利要求1所述的利用复合材料的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述PTFE摩擦层由50wt%PTFE微粒混入相同质量的HTV硅胶基体中制得。
4.根据权利要求3所述的利用复合材料的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：将PTFE摩擦层表面刻蚀成纳米结构，改善表面粗糙度，提高起电能力。
5.根据权利要求1所述的利用复合材料的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述BaTiO3压电复合层由85wt%钛酸钡微粒混入相同质量的HTV硅胶基体中制得。
6.根据权利要求5所述的利用复合材料的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：将BaTiO3压电复合层在电场中极化处理1h，提升压电性能。
7.根据权利要求1所述的一种利用复合材料的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述转轴为曲轴形式，包括两端直角弯折部分和中间的直线段；两端直角弯折部分的轴颈分别穿过两根调节螺杆的U型通槽，并使用调节螺母锁紧固定；两端直角弯折部分的轴颈与中间直线段主轴的垂直距离小于1cm。
8.根据权利要求1所述的一种利用复合材料的摆动式摩擦纳米发电机，其特征在于：所述外壳内侧刻有若干个线槽。
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