CN112953293B - 采用多元介电材料实现软接触的摩擦纳米发电机和应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开采用多元介电材料实现软接触的摩擦纳米发电机和应用，包括定子和转子，在靠近转子的定子表面上的电极之间设置软接触材料，用于使定子和转子实现软接触以传递电荷。本发明中，通过采用了软接触材料和软接触模式，在具有普通二元介电层的非接触旋转式摩擦纳米发电机中引入聚酯纤维毛，使二元介电材料上的电荷可以通过软接触材料互相传递，补充在器件运行过程中电荷的损耗，从而提高了PFR‑TENG的输出稳定性和电压输出，又减少了器件的磨损。同时摩擦纳米发电机产生的脉冲高压电场用于处理植物种子，提高种子的发芽率和活力指数，促进种子的生长，进一步地扩宽摩擦纳米发电机在农业领域上的应用。

Description

采用多元介电材料实现软接触的摩擦纳米发电机和应用

技术领域

本发明涉及发电机技术领域，特别涉及采用多元介电材料实现软接触的摩擦纳米发电机和应用。

背景技术

世界人口的快速增长对绿色和健康农产品提出了新挑战和要求。改善种子的活力是提高农业生产力的必要技术。种子活力通常是指在田间条件下种子的出苗能力和相关生产性能以及其他指标。改善种子活力的技术手段主要包括化学处理、物理处理和种子包衣。

作为一种有效的物理处理手段，高压脉冲电场(HVPEF)处理可以在适当的电场和处理时间下影响种子的内部响应机制，极化生物分子，并刺激种子内的活性物质以改善种子的发芽率，活力和生长。该处理技术具有三种突出的优点：首先，通过高压脉冲电场处理，在种子萌发过程中药物的剂量使用变少；其次，在处理之后，可以有效地改善种子生长过程中的生理化指标(如根长)；第三，高压脉冲电场处理具有更简单的操作步骤，使其可以真正地推广到实际的应用中。然而，高压脉冲电场处理需要的电压通常达到数千伏，因此在传统的高压生成设备中必须采用倍压电路，提高了成本，同时这些高压生成设备在产生高电压的同时还会产生大电流。因此存在意外的电流泄漏问题，这会使操作人员在处理期间面临着致命的危险，并且大电流也会将被处理的植物种子过度刺激，导致种子坏死。此外，传统的高压生成设备的一些特征，例如大尺寸，高成本，不可携带性，也对其应用构成了巨大的挑战。

最近，摩擦纳米发电机(TENG)基于摩擦起电和静电感应的耦合效应，可以有效地将各种环境中的机械运动转换为电能。同时，摩擦纳米发电机因为具有独特的高电压和低电流输出特性使其成为理想的高电压源。与传统的高电压源相比，摩擦纳米发电机具有以下优点：首先，它拥有广泛的材料选择，灵活的结构设计，重量轻和高便携性等特点；其次，小电流的固有输出特性(通常在微安级别)使摩擦纳米发电机能够保证操作者和处理物的安全；此外，摩擦纳米发电机能够轻松产生高电压(通常千伏以上)，无需复杂的倍压电路，降低了系统的复杂性和成本。

与其他摩擦纳米发电机的结构相比，旋转式摩擦纳米发电机(R-TENG)具有较高的输出效率，连续的高输出。然而，R-TENG摩擦层的直接接触会导致介质层的磨损，从而使这些设备的输出性能降低，并且机械稳定性变差；基于动物毛皮的柔性介电刷或介电层可以减少器件的磨损并增强R-TENG的耐久性，但是，它的电压输出还是受到其结构的限制，即使通过倍压电路，R-TENG的稳定电压输出仍然低于10kV。非接触式摩擦纳米发电机(NC-TENG)，虽然避免了介电层的磨损，但是需要在介电层上进行提前起电并且在器件运行的后期也会出现电荷消散的情况，这也会降低器件的输出和稳定性。因此，R-TENG作为高电压源仍然面临着不稳定的低电压输出和严重材料磨损等的挑战。

发明内容

针对现有技术中摩擦纳米发电机输出不稳定，电压输出不高，器件磨损严重的问题，本发明提出采用多元介电材料实现软接触的摩擦纳米发电机和应用，通过在定子上设置软接触材料作为介电材料，使转子上的介电层通过软接触材料传递电荷，减少电荷损耗，从而提高输出电压和输出稳定性，并将该发电机产生的高压脉冲电场用于处理种子，促进种子的发育。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

采用多元介电材料实现软接触的摩擦纳米发电机，包括定子和转子，在靠近转子的定子表面上的电极之间设置软接触材料，用于使定子和转子实现软接触以传递电荷。

优选的，所述定子的基板为一个外径为D1、内径为d1、厚度为H1的圆盘。

优选的，所述基板上平均分布有N个径向排列孔和N个电极，径向排列孔和电极是以圆盘圆心为中心的扇形区域，径向排列孔的外径为D2、内径为d2、中心角为α1，铜电极的外径为D2、内径为d2、中心角为α2，且N*(α1+α2)＜360，D2＜D1，d2＞d1。

优选的，所述径向排列孔上固定设置有软接触材料，软接触材料的厚度为H2、长度为(D2-d2)/2。

优选的，N个所述电极交替串联形成两组，分别通过导线输出电压电流。

优选的，所述转子的基底为外径为D3，内径为d3的圆盘，基底上雕刻有外径为D4、内径为d4、中心角为α3的M个扇形槽，且有M*α3＝360，d4＝d2＞d1＞d3,D4＝D2＜D1＝D3。

优选的，M个所述扇形槽上交替粘贴第一介电材料和第二介电材料从而形成介电层。

优选的，所述第一介电材料为聚四氟乙烯膜，第二介电材料为尼龙膜。

优选的，所述软接触材料包括聚酯纤维毛、动物皮毛、有机聚合材料和油脂。

本发明还提供采用多元介电材料实现软接触的摩擦纳米发电机的应用，所述发电机用于产生脉冲电场处理种子以促进种子的生长和发育。

综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

在本发明中，通过采用了软接触材料和软接触模式，在具有介电层的非接触摩擦纳米发电机中引入软接触材料作为介电层，使二元介电材料上的电荷可以通过软接触材料互相传递，补充器件运行过程中损耗的电荷，从而提高了PFR-TENG摩擦纳米发电机的输出稳定性和电压输出，同时又减少了器件的磨损，实现器件的长寿命。

另外，将摩擦纳米发电机产生的脉冲高压电场用于处理植物种子，提高种子的发芽率和活力指数，促进种子的生长，进一步地扩宽摩擦纳米发电机在农业领域上的应用。

附图说明：

图1为根据本发明示例性实施例的摩擦纳米发电机定子示意图。

图2为根据本发明示例性实施例的摩擦纳米发电机转子示意图。

图3为根据本发明示例性实施例的电荷达到饱和之前PFR-TENG的工作原理示意图。

图4为根据本发明示例性实施例的电荷达到饱和之后PFR-TENG的工作原理示意图。

图5为根据本发明示例性实施例的摩擦纳米发电机循环稳定性测试输出示意图。

图6为根据本发明示例性实施例的摩擦纳米发电机输出性能示意图。

图7为根据本发明示例性实施例的用PFR-TENG处理种子的电路示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等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，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的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。

本发明提供采用多元介电材料实现软接触的摩擦纳米发电机，包括定子和转子。本发明中以旋转式摩擦纳米发电机为例进行说明。

如图1所示，本实施例中，定子的基板为一个外径为D1，内径为d1，厚度为H1的圆盘。例如将4mm厚的亚克力板切成221mm的外径，内径为16mm(用于驱动轴的空间)的圆盘作为定子的基板。

基板上平均分布有N个径向排列孔和N个沟槽，径向排列孔和沟槽是以圆盘圆心为中心的扇形区域，径向排列孔的外径为D2(212mm)、内径为d2(90mm)、中心角为α1，沟槽的外径为D2、内径为d2、中心角为α2，且N*(α1+α2)＜360。例如在基板上制造外径为D2，内径为d2的径向排列孔(中心角，3°)和浅槽(中心角，39°)各8个。

将铜箔(厚度，0.02mm)粘贴到定子基板的表面上，然后沿着沟槽切割，在定子上形成铜电极，铜电极在发电机运行的过程中感应介质层上的电荷并在电路中形成交流电流输出。将铜电极交叉分成两组(例如铜电极有8个，则第1，3，5，7个铜电极串联为一组，第2，4，6，8个铜电极串联为第二组)，每组中的铜电极分别通过导线连接形成正负极输出电流和电压。为了保证铜电极之间不会发生空气击穿，两个相邻铜电极边缘之间的最小间隙为5mm，并且进行倒角处理。

现有技术中，一般是在转子上直接覆盖一层膜起到减少磨损作用。但定子上的铜电极的硬度较大，与膜直接接触会导致膜的耐久度受损。因此本发明中，在靠近转子一侧的定子表面的径向排列孔中，固定(可采用亚克力块固定)软接触材料(例如为聚酯纤维毛)作为第三元介电材料(第三种介电材料)使得定子与转子之间实现软接触，使定子和转子安装完成之后，转子既能与软接触材料摩擦，又不会与定子上的硬质电极层接触，从而减少摩擦损耗。例如软接触材料为厚度H2(5mm)、长度(D2-d2)/2(例如61mm)的聚酯纤维毛。软接触材料可以固定在靠近转子一侧的定子表面的径向排列孔上，也可以直接塞进径向排列孔。

本实施例中，采用聚酯纤维毛作为软接触材料主要根据以下三个原因：(i)材料的电负性是聚四氟乙烯>聚酯纤维>尼龙，这确保了聚四氟乙烯和尼龙上的电荷可以通过聚酯纤维毛转移，并且聚酯纤维毛还可以及时补充介电层上耗散的电荷；(ii)由于适当的弹性和柔软性，作为三元介电层的聚酯纤维毛使得转子上的介电层不与定子上的铜电极直接接触，减少装置在操作期间的磨损；(iii)作为一种常见的合成材料，聚酯纤维毛具有容易获得，物廉价美的优点。因此有利于摩擦纳米发电机的稳定电荷输出和超高电压(15kV直流电压，10kV交流电压)输出。

如图2所示，本实施例中，转子的基底为一个外径为D3，内径为d3的圆盘，例如通过使用激光切割器将亚克力板(厚度为4mm)切成圆盘作为转子的基底，其外径为221mm，内径为8mm。基底的内径孔用于通过电机的钢棒。

转子的基底上雕刻有外径为D4、内径为d4、中心角为α3的M个扇形槽，每个扇形槽是物理隔离的，扇形槽的圆心为基底的圆心，且有M*α3＝360，例如外径为212mm、内径为90mm、中心角为45°的8个风扇形槽。M个扇形槽上粘贴有介电材料形成介电层。本实施例中，在扇形槽上交替粘贴第一介电材料和第二介电材料从而形成摩擦纳米发电机的二元介电层。第一介电材料为聚四氟乙烯膜，厚度为50微米；第二介电材料为尼龙膜，厚度为25微米。聚四氟乙烯膜具有超高的电负性而尼龙膜具有超高的电正性，两种材料之间由于巨大的电负性差异会引起大量电子得失，从而得到更大的电气输出。

本实施例中，为更好使转子和定子匹配，d4＝d2＞d1＞d3,D4＝D2＜D1＝D3。

本实施例中，将定子和转子组合可得到聚酯纤维毛增强型旋转式摩擦纳米发电机(PFR-TENG，Polyester Fur-reinforced Totary Triboelectric Nanogenerator)。在组合定子和转子时，由于聚酯纤维毛的柔软度，因此转子和定子通过聚酯纤维毛实现软接触，之间存在一定的(2mm)气隙。在电机运转时，转子通过联轴器与电机连接，转子和定子上的聚酯纤维毛进行摩擦，从而通过聚酯纤维毛传递转子上聚四氟乙烯膜和尼龙膜之间的电荷，形成稳定的电气输出，提高电压输出，降低器件的磨损。

本实施例中，采用多元介电材料实现软接触的摩擦纳米发电机(PFR-TENG)的工作原理涉及两个状态：初始状态(电荷产生和转移)和稳定的状态(电荷转移和积累)。

初始状态的工作原理如图3所示：图3a为PFR-TENG的截面示意图；图3b、图3c、图3d、图3e为介质层上的电荷达到饱和之前PFR-TENG的工作原理图；图3f为介质层上的电荷达到饱和之后的截面示意图。

图3a是PFR-TENG的截面示意图，一旦转子开始转动，聚酯纤维毛会与尼龙薄膜接触，因为聚酯纤维毛的电负性高于尼龙膜，所以它们之间的摩擦导致正、负电荷的分离(图3b)。当转子滑动时，聚酯纤维毛与具有更高电负性的聚四氟乙烯膜接触(图3c)，在该过程中，聚酯纤维毛上的电子转移到聚四氟乙烯膜上；同时，通过聚四氟乙烯膜和聚酯纤维毛之间的摩擦，聚四氟乙烯膜上还会产生更多的摩擦电荷(图3d)。因此，与尼龙摩擦之后的聚酯纤维毛再与聚四氟乙烯膜摩擦，就会将尼龙失去的电子转移到聚四氟乙烯膜上，同时聚酯纤维毛还会继续与聚四氟乙烯膜摩擦，产生更多的摩擦电荷，从而可以提高PFR-TENG的输出电压。随着滑动继续，下一块尼龙膜通过与聚酯纤维毛摩擦将产生的电子转移到聚酯纤维毛上(图3e)。经过40多秒的循环工作(图3b-e)，介电层上的电荷达到饱和，此时PFR-TENG的截面示意图如图3f，电荷消散和电荷转移同时发生在转子上的介电层上。

即软接触材料(聚酯纤维毛)起到传递电荷的作用，避免了转子上的两种介电材料直接接触，就能分别在两种材料上累积更多的电荷，但是也不会发生空气击穿，提高了电极的输出电压。

当该发电机介电层上的电荷达到饱和之后，工作原理如图4所示。图4a、图4b表示介电层上的电荷达到饱和之后，随着转子的滑动，聚酯纤维毛与尼龙膜摩擦产生的电荷弥补上尼龙膜上消散的电荷，直至转子滑完这一片尼龙膜。图4c、图4d表示随着转子的滑动，聚酯纤维毛与尼龙膜摩擦产生的电荷弥补上聚四氟乙烯膜上消散的电荷，直至转子滑完这一片聚四氟乙烯膜。

由于聚酯纤维毛的面积远小于转子上介电层(聚四氟乙烯膜和尼龙膜)的面积，因此介电层上的电荷需要一定的时间来累积，时间越长累积的电荷越多。根据静电感应，铜电极上的电荷会通过外部负载在两组铜电极之间重新分布，以平衡电位差。当转子转动时，交叉指状电极设计(将铜电极交替分成两组，由于转子的转动和静电感应，就会产生交流输出)确保PFR-TENG会产生连续的交流输出。

本发明中，使用聚酯纤维毛作为第三元介电材料的PFR-TENG产生的电荷输出能够达到580nC。

当聚酯纤维毛的份数超过两份时，PFR-TENG的电输出只有轻微的上升趋势。因此，为了减少介电层的磨损，采用两份聚酯纤维毛进行进一步测试。在100k次的循环测试过程中，PFR-TENG保持了100％的电荷输出，并且通过图5中左侧的插图可以发现，在稳定性测试的前50s内，电荷输出呈现上涨的现象并且很快达到580nC的稳定输出；在图5中右侧的插图可以发现，在稳定性测试的最后5s，该发电机的电荷输出依然是580nC,这展现了PFR-TENG良好的输出稳定性。

本发明中，测试了安置有两份聚酯纤维毛的PFR-TENG的电气输出随着转速的变化(如图6所示)。图6a、图6b、图6c、图6d为不同转速下PFR-TENG的输出电荷、短路电流、直流电压和交流电压；图6e为PFR-TENG在每分钟600转的转速下，连接各种不同外部负载时的电流和功率输出；图6f为使用PFR-TENG在每分钟150转的速度下分别对2.5nF和5.5nF的电容进行充电的电压曲线图。

随着电动机速度从每分钟150转增加到每分钟900转，发电机产生的电荷只有轻微地减少，从580nC减少到516nC(图6a)。由于高转速引起PFR-TENG摆动，使聚酯纤维毛与转子上介电层之间的接触变差从而导致输出电荷降低。从图6b可以看出，电流从13μA线性增加到71μA，这是因为电流与转子和定子之间的相对速度有关。另外，随着转速增加，PFR-TENG的直流电压会有略微上升，从13.5kV增加到15kV，交流电压一直保持在10kV左右(图6c,d)。图6e展示了当转子转速为每分钟600转时，外部负载从10Ω增加到10GΩ时PFR-TENG的电流和功率输出，最大功率可以达到201.83mW，其匹配阻抗为110MΩ。当转子转速为每分钟150转时，PFR-TENG可以在40秒的时间内将5.5nF的电容器充到9.2kV，也可以在38秒内把2.5nF的电容器充至6.8kV(图6f)。

由以上分析和结果可知，引入柔软的聚酯纤维毛作为第三元介质层使TENG形成部分软接触模式，这有助于PFR-TENG提高输出稳定性和电压、降低器件的磨损。同时，这种三元介质层的材料种类不应只是聚酯纤维毛，还可以是各种软接触材料，比如：动物皮毛(例如狗毛、羊毛、兔毛)，一些有机聚合材料(比如聚酰亚胺材料)，油脂等。

第一介电材料和第二介电材料种类不应只是聚四氟乙烯和尼龙，还可以是各种其他的摩擦介电材料，比如：氟化乙烯丙烯共聚物薄膜，聚酰亚胺薄膜等。同时，电极也不应只是铜电极，还可以是各种其他电极，比如：铝电极，印刷线路板等。定子和转子的基板也不限于亚克力板，其他硬质支撑材料均可。

使用本发明的PFR-TENG产生的高压脉冲电场对番茄种子进行处理，如图7所示，验证PFR-TENG的高电压输出和对种子(番茄种子)处理的效果。

首先制作了基于PFR-TENG的高压极化装置：

(i)使用激光切割器将两个4mm厚的亚克力板切成边长为200mm的正方形作为基板。

(ii)通过激光切割器在每个基板的表面上雕刻直径为150mm的圆形浅槽。

(iii)在基板上使用Kapton膜将铝箔(厚度，30μm)粘附到每个基板的表面上并沿着浅槽切割以形成铝电极。

(iv)然后将两个基板重叠，并且将有铝电极的一面相对放置。两种基板之间的间隙可以通过边长为1cm的亚克力立方体块调节。并且两个基板上的圆形铝电极通过导线连接到PFR-TENG上。从而制成基于PFR-TENG的高压极化装置。

在进行高压脉冲电场处理之前，首先用10％的过氧化氢溶液对六百粒成熟的形状差异不大的番茄种子进行消毒和清洗。然后使用去离子水将番茄种子多次洗涤，最后放在滤纸上待用。为了使PFR-TENG的输出信号与传统高压电源的输出信号接近，PFR-TENG采用的转速为每分钟750转(输出频率为50Hz)，将其产生的电场用于处理番茄种子，番茄种子放置在高压极化装置上。将种子分成6组，每组100粒。6组种子的处理细节如下：A组(未做任何处理)；B组(无浸泡，7kV/cm交流高压脉冲电场处理4分钟)；C组(无浸泡，7kV/cm直流高压脉冲电场处理4分钟)；D组(浸泡3小时)；E组(浸泡3小时，然后7kV/cm交流高压脉冲电场处理4分钟)；F组(浸泡3小时，然后7kV/cm直流高压脉冲电场处理4分钟)。然后将六组番茄种子置于六个装有用去离子水浸润的滤纸的培养皿中，开始进行为期7天的种子萌发实验，并在实验过程中记录每天各组种子的发芽率(如表1所示)。在发芽实验结束之后，统计每组种子的芽长和根长，计算各组种子的发芽指数和活力指数(活力指数是种子发芽速率和生长量的综合反映，是种子活力的更好指标)。番茄种子发芽实验会重复三次来保证结果的准确性和科学性。所有的统计数据也是三次实验结果的平均值。

根据公式(1)、(2)和(3)计算出各组种子的发芽指数(G_i)和活力指数(V_i)。

其中G_r是指发芽率，G为发芽种子数，N为种子总数。在这个实验中，N是100。

V_i＝G_i×S (3)

其中G_t是种子每天发芽的数量，D_t是对应的天数。S为平均芽长高度(厘米)。

表1.六组番茄种子7天内的发芽率

表1中结果表明：使用极化装置处理过的种子(B组、C组、E组、F组)的发芽率始终高于未处理的种子(A组和D组)。同时，我们还发现：B、C、E、F组幼苗的芽长，根长远高于A、D组幼苗的；经过直流高压脉冲电场处理后，F组的种子生长得最好，它具有最长的芽(25mm)，最长的根(52.9mm)，最高的活力指数(106.04)；与D组相比，F组种子的萌发指数和活力指数分别提高了34.44％和351.23％；重要的是，PFR-TENG在750转每分钟时的电流是60μA。这种强度的电流显示了PFR-TENG作为高电压源的绝对安全性。当使用基于PFR-TENG的自制高压极化装置处理种子时，这种强度的电流输出既不会损害植物细胞，也不会对操作人员造成危险。上述分析和结果与利用传统高压源产生的高压脉冲电场处理种子的实验结果一致，证明利用PFR-TENG产生的高压脉冲电场处理植物种子是可行的。

本领域的普通技术人员可以理解，上述各实施方式是实现本发明的具体实施例，而在实际应用中，可以在形式上和细节上对其作各种改变，而不偏离本发明的精神和范围。

Claims (6)

1.采用多元介电材料实现软接触的摩擦纳米发电机，包括定子和转子，其特征在于，在靠近转子的定子表面上的电极之间设置软接触材料，用于使定子和转子实现软接触以传递电荷；

所述转子的基底上雕刻有M个扇形槽，M个所述扇形槽上交替粘贴第一介电材料和第二介电材料从而形成介电层；且材料之间的电负性强弱排列顺序为：第一介电材料>软接触材料>第二介电材料；

所述定子的基板为一个外径为D1、内径为d1、厚度为H1的圆盘；

所述基板上平均分布有N个径向排列孔和N个电极，径向排列孔和电极是以圆盘圆心为中心的扇形区域；径向排列孔的外径为D2、内径为d2、中心角为α1，所述径向排列孔上固定设置有软接触材料，软接触材料的厚度为H2、长度为(D2-d2)/2；电极的外径为D2、内径为d2、中心角为α2，且N*(α1+α2)＜360，D2＜D1，d2＞d1；

所述转子的基底为外径为D3，内径为d3的圆盘，基底上雕刻有外径为D4、内径为d4、中心角为α3的M个扇形槽，且有M*α3＝360，d4＝d2＞d1＞d3,D4＝D2＜D1＝D3。

2.如权利要求1所述的采用多元介电材料实现软接触的摩擦纳米发电机，其特征在于，N个所述电极交替串联形成两组，分别通过导线输出电压电流。

3.如权利要求1所述的采用多元介电材料实现软接触的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一介电材料为聚四氟乙烯膜，第二介电材料为尼龙膜。

4.如权利要求1所述的采用多元介电材料实现软接触的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述软接触材料为动物皮毛、有机聚合材料、油脂中的任意一种。

5.如权利要求1所述的采用多元介电材料实现软接触的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述软接触材料还包括聚酯纤维毛。

6.如权利要求1-5任一所述的采用多元介电材料实现软接触的摩擦纳米发电机的应用，其特征在于，所述发电机用于产生脉冲电场处理种子以促进种子的生长和发育。

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