CN114142763A - 一种纳米摩擦发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种纳米摩擦发电机，属于纳米技术领域。本发明提供的纳米摩擦发电机，摩擦副包括含氢类金刚石碳膜和钢球，所述含氢类金刚石碳膜和钢球互相接触。本发明利用含氢类金刚石碳膜以及钢球作为互相接触的摩擦副制备了超滑摩擦状态的纳米摩擦发电机，该纳米摩擦发电装置摩擦系数小于0.01。本发明纳米摩擦发电机的低摩擦系数的原因包括以下几个方面：a.由于含氢类金刚石碳膜具备较高的含氢量，因此在摩擦时能够较好地钝化表面，使其滑动时具有较小的剪切力，降低了摩擦系数；b.含氢类金刚石碳膜表面粗糙度低(纳米级别)，所以在摩擦时能减少界面的机械互锁；c.在摩擦过程中会形成转移膜进一步降低摩擦。

Description

一种纳米摩擦发电机
技术领域
本发明涉及纳米技术领域，尤其涉及一种纳米摩擦发电机。
背景技术
摩擦纳米发电机是一种常见的自供能能量收集装置，被广泛应用于自供能的传感及环境检测。它将自然界或者机械运动中的震动、摩擦等过程中的能量收集起来，并可以与自然界中的风力大小、海洋波动剧烈程度、机械运动频率等因素关联起来。但是常规的摩擦纳米发电机大多数由高分子材料薄膜作为摩擦副(如尼龙、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚甲醛等)，由于高分子聚合物材料不耐磨损，会很容易被磨穿，使得电极暴露从而导致器件失效。常规的摩擦副材料之间的摩擦系数一般在0.01到1之间，不利于摩擦纳米发电机的长期服役。
为了提高摩擦纳米发电机的服役寿命是非常重要的，目前已经有很多提高其寿命的方法和手段。比如将单个摩擦副改进为有中间层的多个摩擦副，一旦表面层的摩擦副磨损后，中间层材料还可以继续充当新的摩擦副材料，避免短路风险。此类纳米摩擦发电机一般选择耐磨损的材料作为中间层，比如聚酰亚胺等材料。另外将硬对硬界面的接触转变为软对硬界面的接触，可以使接触时对摩擦副的损伤减小，避免对材料的犁耕，从而实现减小摩擦副界面的磨损。另外，在摩擦副接触界面之间添加润滑油(PAO4、PAO10或正十六烷)，也可以减小摩擦磨损的有效方法，还可以在一定程度范围内增大纳米摩擦发电机的输出。但是在宏观尺度下实现超润滑摩擦状态下的电能输出仍然没有实现。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种纳米摩擦发电机。本发明提供的纳米摩擦发电机具有超低的摩擦系数以及极低的磨损率，能够在宏观尺度下实现超润滑摩擦状态下的电能输出。
为了实现上述发明目的，本发明提供以下技术方案：
本发明提供了一种纳米摩擦发电机，摩擦副包括含氢类金刚石碳膜和钢球，所述含氢类金刚石碳膜和钢球互相接触。
优选地，所述钢球的材质为轴承钢或不锈钢。
优选地，所述轴承钢为GCr15。
优选地，所述不锈钢为316L不锈钢。
优选地，所述钢球的直径为3～10mm。
优选地，所述钢球的直径为6mm。
优选地，所述含氢类金刚石碳膜由包括以下步骤的方法制得：
在保护气氛下，以第一靶为靶材进行第一磁控溅射后，再以石墨靶为靶材进行第二磁控溅射，在所述第一靶的表面得到所述含氢类金刚石碳膜，所述第二磁控溅射时通入CH4。
优选地，所述第二磁控溅射的偏压为-100～-300V，占空比为10％～30％，沉积时间为1～5h。
优选地，所述纳米摩擦发电机还包括中间层材料，所述含氢类金刚石碳膜负载在所述中间层材料的表面，所述中间层材料为硅、铬、镍或钛。
优选地，所述纳米摩擦发电机还包括电极，所述电极位于所述中间层材料的垂直下方，所述电极的材质为不锈钢、金、铜、钢、铬、银或碳。
本发明提供了一种纳米摩擦发电机，摩擦副包括含氢类金刚石碳膜和钢球，所述含氢类金刚石碳膜和钢球互相接触。
本发明利用含氢类金刚石碳膜(含氢非晶碳膜)以及钢球作为互相接触的摩擦副制备了超滑摩擦状态的纳米摩擦发电机，该纳米摩擦发电装置摩擦系数小于0.01，在宏观的摩擦条件下实现了超润滑的摩擦状态，实现了在超润滑状态下将机械能转化为电能的功能，在材料的长寿命能源收集利用和自供电传感器的应用中具有广阔的应用前景。本发明纳米摩擦发电机的低摩擦系数的原因包括以下几个方面：a.由于含氢类金刚石碳膜具备较高的含氢量，因此在摩擦时能够较好地钝化表面，使其滑动时具有较小的剪切力，降低了摩擦系数；b.含氢类金刚石碳膜表面粗糙度低(纳米级别)，所以在摩擦时能减少界面的机械互锁；c.在摩擦过程中会形成转移膜进一步降低摩擦。
并且，由于钢和含氢类金刚石碳膜的接触存在界面的摩擦伏特效应，所产生的电流为直流信号，无需整流就可以实现直流输出。
附图说明
图1为本发明实施例中纳米摩擦发电机的结构示意图，其中，1为钢球，2为含氢类金刚石碳膜，3为中间层材料，4为电极，5为金属导线，6为地线，7为电流表或者外部负载；
图2为实施例1和对比例1中不同的纳米摩擦发电机的摩擦系数和电流曲线；
图3为实施例2和对比例2中不同的纳米摩擦发电机的摩擦系数和电流曲线。
具体实施方式
本发明提供了一种纳米摩擦发电机，摩擦副包括含氢类金刚石碳膜和钢球，所述含氢类金刚石碳膜和钢球互相接触。
在本发明中，所述含氢类金刚石碳膜和钢球始终保持着相互接触，在连续摩擦过程中，以含氢类金刚石碳膜以及钢球组成的摩擦副互相接触并摩擦，用于机械能量的收集。
在本发明中，所述纳米摩擦发电机在使用时，所述摩擦副直接由商用摩擦试验机驱动，在惰性氮气气氛中以球-盘摩擦方式实现超润滑摩擦运动。
本发明对所述含氢类金刚石碳膜和钢球的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品或者采用本领域技术人员熟知的制备方法制得即可。
在本发明中，所述钢球的材质优选为轴承钢或不锈钢。
在本发明中，所述轴承钢优选为GCr15。
在本发明中，所述不锈钢优选为316L不锈钢。
在本发明中，所述钢球的直径优选为3～10mm，更优选为6mm。
在本发明中，所述含氢类金刚石碳膜的厚度优选为1.5～10μm。
在本发明中，所述纳米摩擦发电机优选还包括中间层材料，所述含氢类金刚石碳膜负载在所述中间层材料的表面，所述中间层材料优选为硅、铬、镍或钛。在本发明中，所述中间层材料的作用是增强含氢类金刚石碳膜与电极之间的结合力。
在本发明中，所述中间层材料的厚度优选为100nm～1μm。
在本发明中，所述纳米摩擦发电机还包括电极，所述电极优选位于所述中间层材料的垂直下方，所述电极的材质优选为不锈钢、金、铜、钢、铬、银或碳。
在本发明中，所述含氢类金刚石碳膜优选由包括以下步骤的方法制得：
在保护气氛下，以第一靶为靶材进行第一磁控溅射后，再以石墨靶为靶材进行第二磁控溅射，在所述第一靶的表面得到所述含氢类金刚石碳膜，所述第二磁控溅射时通入CH4。
在本发明中，当所述电极的材质优选为不锈钢时，本发明制备所述含氢类金刚石碳膜时优选还包括：对基底进行预处理，得到预处理基底，然后在在保护气氛下，以第一靶为靶材进行第一磁控溅射后，再以石墨靶为靶材进行第二磁控溅射，在所述预处理基底的表面得到所述含氢类金刚石碳膜。
在本发明中，当所述电极的材质优选为不锈钢时，所述基底优选为不锈钢电极，所述第一靶的材质优选与中间层材料的材质一致，在制备所述含氢类金刚石碳膜的过程中得到了所述电极和中间层材料。
在本发明中，所述预处理优选包括依次进行的打磨、抛光、洗涤和干燥。
在本发明中，所述打磨优选为依次使用400目、800目、1500目、2000目砂纸。
在本发明中，所述抛光优选使用细绒布。
在本发明中，所述洗涤优选包括依次用乙醇、石油醚和无水丙酮分别分别超声5min。
本发明对所述干燥的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
得到预处理基底后，本发明在保护气氛下，以第一靶为靶材进行第一磁控溅射后，再以石墨靶为靶材进行第二磁控溅射，在所述预处理基底表面得到所述含氢类金刚石碳膜，所述第二磁控溅射时通入CH4。
在本发明中，当所述电极的材质优选为金、铜、钢、铬、银或碳时，所述中间层材料的材质优选为硅，所述第一靶的材质优选为硅，然后在保护气氛下，以第一靶为靶材进行第一磁控溅射后，再以石墨靶为靶材进行第二磁控溅射，在所述第一靶的表面得到所述含氢类金刚石碳膜。
在本发明中，当所述电极的材质优选为金、铜、钢、铬、银或碳时，所述中间层材料的材质优选为硅，所述第一靶的材质优选为硅，在制备所述含氢类金刚石碳膜的过程中得到了所述中间层材料。
在本发明中，当所述电极的材质优选为金、铜、钢、铬、银或碳时，所述中间层材料的材质优选为硅，所述第一靶的材质优选为硅，优选通过在第一靶的表面、与含氢类金刚石碳膜相对的面蒸镀形成所述电极。本发明对所述蒸镀的具体方式没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的方式即可。
在本发明中，所述保护气氛与CH4的流量比优选为3：1。
在本发明中，所述第一磁控溅射和第二磁控溅射优选在磁控溅射的样品舱内进行。本发明优选抽真空至所述样品舱内真空度到10-4Pa级别，然后向所述样品舱内通入保护气氛。在本发明中，所述保护气氛优选为氩气。
在本发明中，所述第一磁控溅射的气压优选为0.1～1Pa，电流优选为3～10A，溅射时间优选为10～45分钟。
在本发明中，所述第一磁控溅射的次数优选为3次。
在本发明中，所述第二磁控溅射的偏压优选为-100～-300V，占空比优选为10％～30％，沉积时间优选为1～5h。
本发明还提供了上述技术方案所述纳米摩擦发电机的制备方法没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的制备方法组装即可。
在本发明中，所述纳米摩擦发电机在使用时的参数优选包括：承载10～30N，往复运动或者旋转模式运动，所述往复运动的频率为6～9Hz，所述旋转模式运动的速率为300～1000cm/s，气氛为保护气体或者真空环境，所述保护气体优选为氮气或氩气。
为了进一步说明本发明，下面结合实例对本发明提供的纳米摩擦发电机进行详细地描述，但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
图1为本发明实施例中纳米摩擦发电机的结构示意图，其中，1为钢球，2为含氢类金刚石碳膜，3为中间层材料，4为电极，5为金属导线，6为地线，7为电流表或者外部负载。
实施例1
首先将2英寸P型硅片置于样品舱，然后抽真空至样品舱内真空度到1×10-4Pa，然后向舱内通入氩气。靶材为石墨靶，通入CH4进行溅射，设置偏压为-250V，占空比为30％，沉积时间为2h，最终在硅片上得到沉积厚度约为1μm的含氢类金刚石碳膜。然后以金为靶材，设置电流为10mA，抽真空至0.5Pa，在硅片背面通过物理沉积法蒸镀厚度约为50μm的金电极。同时选用直径为6mm的GCr15钢球作为电极和上摩擦副。
首先，钢球被固定在一个金属夹具中，并与摩擦试验机的其余部分绝缘。然后在金属夹具表面粘上一根铜线。将沉积在硅片上的含氢类金刚石碳膜作为超润滑纳米摩擦发电机的另一摩擦层。导线分别连接钢球夹具以及金电极并连接外部负载。金电极接地良好，避免了其他电磁干扰。
五氧化二磷干燥后整个摩擦环境的相对湿度为5％。超润滑摩擦过程中，采用氮气作为保护气体保护气源，其相对湿度为5％。采用5mm的摩擦幅值、10N的负载、6Hz的往复频率(9.4248cm/s)，进行线性往复摩擦方式，进行摩擦。此时摩擦系数为0.003，属于摩擦状态中的超润滑状态(摩擦系数小于0.01)。电流放大器的两个输入端子分别与钢球夹具引出的铜线和接地铜线相连，进行电流信号的收集，此时电流信号达到16nA，摩擦起电的输出功率达到0.47W/m2。
对比例1
与实施例1相同，区别仅在于用聚四氟乙烯代替含氢类金刚石碳膜。
在与实施例1同等的摩擦条件下，制得的纳米摩擦发电机的摩擦系数为0.28，电流仅为0.5nA，且为交流信号。
图2为实施例1和对比例1不同的纳米摩擦发电机的摩擦系数和电流曲线，可知，实施例1制得的纳米摩擦发电机的摩擦系数低，且实施例1在超润滑摩擦阶段获得的电信号都是单极性的，这与对比例1的摩擦副形成的交流信号不同，其原理是由于界面摩擦导致的摩擦伏特效应导致。
实施例2
首先制备含氢类金刚石碳膜，首先将不锈钢圆块基底(直径24毫米，高8毫米，1Cr18Ni9Ti)分别使用400目、800目、1500目、2000目砂纸以及细绒布进行抛光，然后使用乙醇、石油醚、无水丙酮分别超声10min，然后将样品干燥之后置于样品舱进行溅射。首先抽真空至样品舱内真空度到1×10-4Pa，然后向舱内通入氩气。然后选用硅靶材首先溅射中间层，此时保持舱内气压在0.6Pa的范围，电流设为5A，溅射时间为25分钟。然后将靶材换为石墨靶，通入CH4进行溅射，设置偏压为-200V，占空比为20％，沉积时间为15h，最终得到沉积厚度约为2.5μm的含氢类金刚石碳膜。同时选用直径为6mm的316L钢球作为电极和摩擦副。
首先，钢球被固定在一个金属夹具中，并与摩擦试验机的其余部分绝缘。然后在底部的金属夹具表面粘上一根铜线。将沉积在不锈钢板上的含氢类金刚石碳膜作为超润滑纳米摩擦发电机的另一摩擦层。钢块通过导电滑环连接到地线，确保接地良好。
摩擦的环境为真空摩擦环境，真空环境由真空摩擦试验机制造。以旋转方式收集能量时，在干燥氮气环境中以50cm/s的线速度、10N的负荷进行摩擦过程的控制。此时摩擦系数为0.005。将LED灯的两个极脚直接连接到地线以及钢球一端，在摩擦过程中无需整流就可以将LED灯点亮。此时，摩擦起电的输出电流约为60nA，输出功率达到5.8W/m2。
对比例2
与实施例2相同，区别仅在于制备不含氢类金刚石碳膜，即不通入CH4进行溅射。
在与实施例2同等的摩擦条件下，对制得的纳米摩擦发电机的摩擦系数和电流进行测试。
图3为实施例2和对比例2中不同的纳米摩擦发电机的摩擦系数和电流曲线，由图2可以看出，不含氢的类金刚石碳膜与钢球摩擦之后的摩擦系数约为0.13，电流小于1nA，且为交流信号，可知，实施例2制得的纳米摩擦发电机的摩擦系数低，且实施例2在超润滑摩擦阶段获得的电信号都是单极性的，这与对比例2的摩擦副形成的交流信号不同，不需要整流就可以实现直流输出。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，并非对本发明作任何形式上的限制。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 (10)

1.一种纳米摩擦发电机，其特征在于，摩擦副包括含氢类金刚石碳膜和钢球，所述含氢类金刚石碳膜和钢球互相接触。
2.根据权利要求1所述的纳米摩擦发电机，其特征在于，所述钢球的材质为轴承钢或不锈钢。
3.根据权利要求2所述的纳米摩擦发电机，其特征在于，所述轴承钢为GCr15。
4.根据权利要求2所述的纳米摩擦发电机，其特征在于，所述不锈钢为316L不锈钢。
5.根据权利要求1所述的纳米摩擦发电机，其特征在于，所述钢球的直径为3～10mm。
6.根据权利要求1或5所述的纳米摩擦发电机，其特征在于，所述钢球的直径为6mm。
7.根据权利要求1所述的纳米摩擦发电机，其特征在于，所述含氢类金刚石碳膜由包括以下步骤的方法制得：
在保护气氛下，以第一靶为靶材进行第一磁控溅射后，再以石墨靶为靶材进行第二磁控溅射，在所述第一靶的表面得到所述含氢类金刚石碳膜，所述第二磁控溅射时通入CH4。
8.根据权利要求7所述的纳米摩擦发电机，其特征在于，所述第二磁控溅射的偏压为-100～-300V，占空比为10％～30％，沉积时间为1～5h。
9.根据权利要求1所述的纳米摩擦发电机，其特征在于，所述纳米摩擦发电机还包括中间层材料，所述含氢类金刚石碳膜负载在所述中间层材料的表面，所述中间层材料为硅、铬、镍或钛。
10.根据权利要求9所述的纳米摩擦发电机，其特征在于，所述纳米摩擦发电机还包括电极，所述电极位于所述中间层材料的垂直下方，所述电极的材质为不锈钢、金、铜、钢、铬、银或碳。
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