CN117097196A - 一种基于摩擦电荷迁移的摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种基于摩擦电荷迁移的摩擦纳米发电机，包括滑块和定子；所述滑块上设置具有电负性的负介电膜，所述定子上设置有具有漏电特性的柔性材料，负介电膜和柔性材料进行接触摩擦。本发明通过采用具有高漏电特性的柔性材料，将摩擦起电的介电界面效应转化为介电体积效应，实现摩擦电荷在高漏电特性的材料中上下迁移，提高静电感应效果，有效削弱介电材料厚度对TENG输出性能的影响，从而提高TENG的功率输出。还通过采用高厚度的高漏电特性的材料为TENG的定子摩擦层，因其具有介电体积效应，在保证TENG具有高的功率输出的同时，显著提升TENG的耐久性。

Description

一种基于摩擦电荷迁移的摩擦纳米发电机

技术领域

本发明涉及摩擦发电机技术领域，特别涉及一种基于摩擦电荷迁移的摩擦纳米发电机。

背景技术

面对物联网时代的快速发展，能源供应革命迫切需要清洁、可持续的能源来替代化石燃料，以满足智能、通用电子产品的需求。有趣的是，摩擦电纳米发电机(TENG)作为一种基于摩擦起电效应和静电感应将机械能转化为电能的新技术，被认为是为微电子器件供电的技术补充。此外，TENG因其在成本效益、易于制造、材料选择多用途等方面的巨大优势而受到广泛关注。

TENG在走向实际应用驱动小型商用电子器件的进程中，很大程度上受制于其输出功率的限制。在传统的TENG模式中，摩擦起电产生的电荷由于静电荷界面效应被束缚在介电材料表面，背部电极通过静电感应的方式产生交变电信号。此外，根据TENG的基本原理及其结构特性，TENG可以看作是一个可变电容和一个电阻串联。由于介电材料的厚度严重影响可变电容的大小并且对静电感应强度有很大影响，厚(一般大于100微米)的介电材料会严重削弱TENG的电荷密度和功率输出。为了在TENG中获得较大的电容变化，须使用微米级(一般小于50微米)的高介电薄膜作为TENG的介电层，以获得优异的输出性能。因此，在TENG的制备过程中，通常选用微米级厚度的介电薄膜作为定子的摩擦层，以保证TENG优异的输出性能。然而，在滑动式的TENG中，由于摩擦层之间会产生严重的机械磨损，微米级厚度的介电薄膜不具备优异的耐久性，这是影响TENG实际应用的另一个关键问题。因此，有必要探索一种新的工作机理，通过在高厚度(例如1mm)的介电材料上同时实现高功率输出和高耐久性能的TENG。

发明内容

针对现有技术中介电材料厚度降低TENG输出功率的问题，本发明提出一种基于摩擦电荷迁移的摩擦纳米发电机，通过将摩擦起电的介面效应转化为体积效应，有效削弱介电材料厚度对TENG输出性能的影响，提高TENG的功率输出功率。

为了实现上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种基于摩擦电荷迁移的摩擦纳米发电机，包括滑块和定子；所述滑块上设置具有电负性的负介电膜，所述定子上设置有具有漏电特性的柔性材料；

所述滑块上的负介电膜和定子上的柔性材料进行接触摩擦产生摩擦电荷，摩擦电荷在柔性材料中实现上下迁移。

优选地，所述摩擦纳米发电机为滑动式时：

所述滑块包括第一基板、第一柔性材料和负介电膜；第一柔性材料覆盖在第一基板的下表面，负介电膜覆盖在第一柔性材料的下表面；

所述定子包括第二基板、第一电极、第二电极、第二柔性材料；第一电极和第二电极为电极对，分别设置在第二基板的上表面，且第一电极和第二电极之间具有间隔缝隙；第二柔性材料覆盖在第一电极和第二电极的上表面以及间隔缝隙。

优选地，第一基板的材料为硬质的亚克力基板，长*宽*厚度＝20mm*50mm*5mm；第一柔性材料的材料包括但不限于为柔性的聚氨酯泡棉，负介电膜的材料为具有电负性的聚四氟乙烯，厚度为100μm。

优选地，第二基板的材料为硬质的亚克力基板，长*宽*厚度＝70mm*150mm*5mm；第一电极、第二电极的材料为铝电极，长*宽*厚度＝20mm*50mm*15μm；第二柔性材料为具有漏电特性的材料，包括但不限于聚氨酯泡棉。

优选地，第二柔性材料的厚度不小于100微米。

优选地，所述摩擦纳米发电机为转动式时，包括定子和转子：

所述定子包括第三基板、第一扇形电极、第二扇形电极、第三柔性材料；第一扇形电极、第二扇形电极为电极对，间隔设置在第三基板的上表面，且第一扇形电极、第二扇形电极之间具有间隔缝隙；第三柔性材料完全覆盖在第一扇形电极、第二扇形电极的上表面；

所述转子包括第四基板和n个滑块，n个滑块均匀设置第四基板的上表面；滑块为双层结构，与第四基板的上表面接触的第一层为第四柔性材料，第二层为具有电负性的介电膜。

优选地，第一扇形电极的内径、外径、径向角分别为60mm、178mm、15°，第二扇形电极的内径、外径、径向角分别为68mm、186mm、15°；第三基板的材料为硬质的圆形亚克力基板，内径、外径、厚度分别为16mm、200mm、4mm；第三柔性材料为具有漏电特性的材料，包括但不限于聚氨酯泡棉。

优选地，第四基板的材料为硬质的圆形亚克力基板，内径、外径、厚度分别为16mm、186mm、4mm；滑块13的内径、外径、径向角分别为60mm、186mm、15°，n＝12。

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：

本发明通过采用具有高漏电特性的材料，将摩擦起电的介电界面效应转化为介电体积效应，实现摩擦电荷在高漏电特性的材料中上下迁移，提高静电感应效果，有效削弱介电材料厚度对TENG输出性能的影响，从而提高TENG的功率输出。

还通过采用高厚度的高漏电特性的材料为TENG的定子摩擦层，因其具有介电体积效应，在保证TENG具有高的功率输出的同时，显著提升TENG的耐久性。

附图说明：

图1为根据本发明示例性实施例1的一种基于摩擦电荷迁移的滑动式摩擦纳米发电机结构示意图。

图2为根据本发明示例性实施例1的一种基于摩擦电荷迁移的滑动式摩擦纳米发电机的工作原理示意图。

图3为根据本发明示例性实施例1的一种基于摩擦电荷迁移的滑动式摩擦纳米发电机的电压-电荷示意图。

图4a为根据本发明示例性实施例1的第二柔性材料和负介电膜的漏电特性测试示意图；图4b为根据本发明示例性实施例1的发电机和传统发电机的输出电荷比较示意图；图4c为根据本发明示例性实施例1的发电机的输出电荷示意图；图4d为根据本发明示例性实施例1的发电机的输出电流示意图；图4e为根据本发明示例性实施例1的发电机在不同负载阻抗下功率输出示意图；图4f为根据本发明示例性实施例1的发电机在不同负载阻抗下能量输出示意图。

图5为根据本发明示例性实施例2的一种基于摩擦电荷迁移的转动式摩擦纳米发电机结构示意图。

图6为根据本发明示例性实施例2的转动式发电机在滑块面积约为100cm²时的输出数据示意图。图6a为转动式发电机的电荷、电流、电压输出曲线示意图；图6b为转动式发电机在不同负载下的匹配阻抗和最大功率输出测试示意图；图6c为转动式发电机的耐久性测试示意图。

图7为根据本发明示例性实施例2的转动式发电机的应用展示图。图7a为转动式发电机在60转/分的转速下直接点亮7552个直径为5mm的LED灯；图7b为转动式发电机驱动70个平行连接的商用温湿度计；图7c为转动式发电机在60转/分的转速下为手机持续充电。

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。

本发明提供一种基于摩擦电荷迁移的摩擦纳米发电机，包括滑块和定子，滑块在定子上相对摩擦滑动。

实施例1

如图1所示，为一种基于摩擦电荷迁移的滑动式摩擦纳米发电机的结构示意图，包括滑块和定子。

所述滑块包括第一基板1、第一柔性材料2和负介电膜3；第一柔性材料2覆盖(优选为全覆盖)在第一基板1的下表面，负介电膜3覆盖在第一柔性材料2的下表面。本实施例中，第一基板1的材料为硬质的亚克力基板，长*宽*厚度＝20mm*50mm*5mm；第一柔性材料2的材料包括但不限于为柔性的聚氨酯泡棉，负介电膜3的材料为具有电负性的聚四氟乙烯(PTFE)，厚度为100μm。

所述定子包括第二基板9、第一电极7、第二电极8、第二柔性材料6；第一电极7和第二电极8为电极对，分别设置在第二基板9的上表面，且第一电极7和第二电极8之间具有间隔缝隙(间隔缝隙长度一般为4mm)；第二柔性材料6覆盖在第一电极7和第二电极8的上表面以及间隔缝隙。本实施例中，第二基板9的材料为硬质的亚克力基板，长*宽*厚度＝70mm*150mm*5mm；第一电极7、第二电极8的材料为导电材料(例如均为铜电极、铝电极)，长*宽*厚度＝20mm*50mm*15μm；第二柔性材料6的材料为具有高漏电特性(例如在施加1000V的偏压下，漏电流不下于260nA)的材料，包括但不限于聚氨酯泡棉。

现有的摩擦发电机定子上的材料是驻极体材料(例如尼龙膜)，电荷迁移与材料的漏电特性有关，漏电性很差的驻极体材料，它的束缚电荷能力很强，摩擦电荷束缚在材料表面，不能在材料内部发生迁移，即使材料两侧有很强的电场也几乎没有电荷迁移，摩擦电荷就束缚在了驻极体材料表面(即不能发生电荷迁移)，呈现的是介电表面效应；但本申请中定子上的第二柔性材料6具有高漏电特性，它的束缚电荷能力很弱，在材料的两侧施加电压，电荷就可以在材料内部发生电荷上下迁移，呈现出介电体积效应，即电荷从表面覆盖转换为整个体积空间覆盖。

则本实施例中，当滑块与定子摩擦后(即负介电膜3和第二柔性材料6之间发生摩擦)，滑块上的负介电膜3表面带有带负电荷4，定子上的第二柔性材料6表面带正电荷5。由于介电体积效应，摩擦产生的正电荷5不完全束缚于第二柔性材料6的表面，而是可以在第二柔性材料6内发生电荷迁移，一部分迁移到第二柔性材料6的内部，逐渐靠近第一电极7或者第二电极8；一部分电荷仍保留在第二柔性材料6的表面。

本实施例中，第二柔性材料6均匀分布有微小的孔状结构(整个接触面和内部都有孔状结构，孔状结构的大小范围为5-50微米)，滑块表面的负介电膜3和定子表面的第二柔性材料6构成软接触摩擦，不仅可以有效地削弱原有驻极体因介电表面效应对TENG输出性能的影响。此外，还避免了接触摩擦产生的巨大磨损，很好地延长器件的使用寿命。

传统发电机选用的摩擦材料(驻极体材料)的漏电性差，束缚电荷能力强，摩擦电荷束缚在了材料的表面，而厚度即静电感应的距离，会严重影响静电感应的效果，即发电机的输出；因此，传统发电机的材料厚度就严重削弱了发电机的输出，材料越厚发电机的输出明显变差。传统的发电机为了获得高的输出就务必需要把材料的厚度变薄，这样发电机的耐久性又变差了。本申请中，选用的第二柔性材料6是高漏电特性的材料，电荷没有完全地束缚在材料表面，部分摩擦电荷往第一电极7或者第二电极8迁移，使得静电感应的效果增强，即发电机的输出提高。即使选用高厚度的柔性材料作为摩擦层，因介电体积效应，也不减弱发电机的输出性能，并且由于厚度的提升，发电机的耐久性明显提高了。

本实施例中，由于第二柔性材料6是高漏电特性的材料，因此使得发电机的输出性能得到提高；同时第二柔性材料6的厚度(一般大于100微米，优选为毫米级材料)要比现有同等性能的摩擦材料(现有摩擦的厚度一般小于50微米)要厚，则在保证高性能输出的同时，其耐久性得到提高。

本实施例中，以聚氨酯泡棉为例，如表1所示，展示了其厚度、1000V电压下的漏电特性、转移电荷的关系。

表1、聚氨酯泡棉的厚度、漏电特性、转移电荷输出的关系

因此，从表1中可看出，为保证选择的具有漏电特性的聚氨酯泡棉能发生介电体积效应，则1000V电压下的漏电流应不下于260nA；同时为保证发电机的摩擦耐久性，聚氨酯泡棉的厚度范围为0.1mm-3mm。

本实施例中，一种基于摩擦电荷迁移的滑动式摩擦纳米发电机的工作原理如图2所示：

Stage1：滑块离开左端，在定子上从左向右移动(尚未到达最右端)，此时静电感应对发电机输出的影响较弱(因为滑块在定子的正中间，一部分在第一电极7的上方，另一部分在第二电极8的上方，两者处于平衡，此时的静电感应最小)，第一电极7和第二电极8之间的电势差几乎为0，又由于第二柔性材料6的厚度较厚，静电感应效果就会很差，导致外电路中只有少量的电荷(e)转移。

Stage2：滑块继续向右移动并到达最右端，第二柔性材料6的左上表面和负介电膜3分别与第一电极7和第二电极8产生有很强的电势差(因为此时滑块全部在第二电极8的正上方，负介电膜3表面的负电荷全部作用于第二电极8；此外，第二柔性材料6的左上表面的正电荷也全部作用于第一电极7上；因此，在第二柔性材料6左半部分有较强的向下的电场，第二柔性材料6表面的正电荷发生向下的电荷迁移；在第二柔性材料6右半部分有较强的向上的电场，发生向上的电荷迁移，此时第一电极7和第二电极8之间的电势差最大)；因此第二柔性材料6的内部发生强烈的漏电效应(电荷上下迁移)；再通过静电感应，外电路中产生大量的电荷(例如5e或6e等)转移。

Stage3：滑块离开右端，在定子上从右向左移动(尚未到达最右端)，与Stage1原理类似，静电感应对发电机输出的影响较弱，导致外电路中只有少量转移电荷(e)。

Stage4：滑块继续向左移动并到达最左端，由于第二柔性材料6的右上表面和负介电膜(3)分别与第二电极8和第一电极7产生有很强的电势差，因此在第二柔性材料6内部再次发生很强的漏电效应(电荷迁移)，在外电路的相反方向产生大量的电荷(5e)转移。

本实施例中，滑块在一个周期内滑动的4个阶段(Stage1-Stage2-Stage3-Stage4)遵循电压-电荷图中的能量最大化原则，如图3所示，分别对应于电压-电荷图中的过程1-4。例如Stage1阶段的电荷从0到50nC，电压从1.5KV到3KV；Stage2阶段的电荷从100nC到350nC，电压从3KV到0.5KV；Stage3阶段的电荷从350nC到300nC，电压从0.5KV到3KV；Stage4阶段的电荷从250nC到0nC，电压从3KV到0KV。

本实施例中，在对一种基于摩擦电荷迁移的滑动式摩擦纳米发电机的电性能输出测试过程中，用可编程直线电机模拟外界直线往复运动的机械能，第一电极7和第二电极8作为输出端连接静电计(Keithley 6514)和高速静电电压表(Trek model 370)来测试其转移电荷、短路电流和开路电压的输出情况；静电计(Keithley 6517)作为电压源，分别施加电压在不同介电材料两侧，测试其漏电特性。

如图4a所示，当扫描电压从0V逐渐增加到1000V时，第二柔性材料6(PU foam)的最大漏电流远大于负介电膜3(PTFE)的最大漏电流。由于第二柔性材料6与负介电膜3的巨大漏电特性差异，在摩擦电荷分别达到饱和后，本发明具有体积效应(volume effect)的发电机相对于传统的具有界面效应(interface effect)的发电机的转移电荷输出增加了4.14倍，如图4b。如图4c所示，本发明的发电机滑块面积约为10cm²，在不同滑移速度下的电性能输出，其转移电荷随着滑移速度的增加几乎保持不变，维持在360nC左右；如图4d所示，本发明的发电机的短路电流随着滑移速度的增加而成倍增加。此外，如图4e所示，在12cm/s的滑移速度下，测试了本发明的发电机在不同负载电阻下的功率和能量输出，最大功率输出达到5mW。如图4f所示，本发明的发电机在负载阻抗为1200MΩ时达到1.2mJ,远大于传统的界面效应TENG的能量输出。结果表明，本发明的发电机在高厚度下转换介电表面效应为体积效应后，输出性能得到了明显提升。

实施例2

如图5所示，为一种基于摩擦电荷迁移的转动式摩擦纳米发电机的结构示意图，包括转子和定子，转子通过法兰盘固定在转轴上，然后通过转轴与定子相连。转子和定子转动摩擦。

所述定子包括第三基板10、第一扇形电极11、第二扇形电极12、第三柔性材料；第一扇形电极11、第二扇形电极12为电极对，分别设置在第三基板10的上表面，且第一扇形电极11、第二扇形电极12之间具有间隔缝隙(间隔缝隙长度一般为4mm)，第一扇形电极11的内径、外径、径向角分别为60mm、178mm、15°，第二扇形电极12的内径、外径、径向角分别为68mm、186mm、15°；第三柔性材料完全覆盖在第一扇形电极11、第二扇形电极12的上表面。本实施例中，第三基板10的材料为硬质的圆形亚克力基板，内径、外径、厚度分别为16mm、200mm、4mm，中心的圆孔用于安装转轴；第一扇形电极11、第二扇形电极12的材料为导电材料(例如均为铜电极、铝电极)，厚度为15μm；第三柔性材料的材料为具有高漏电特性的毫米级厚度(例如1mm)的材料，包括但不限于聚氨酯泡棉、尼龙膜、聚氨酯膜、丁腈等。

所述转子包括第四基板14和滑块13，滑块13均匀设置第四基板14的上表面。第四基板14的材料为硬质的圆形亚克力基板，内径、外径、厚度分别为16mm、186mm、4mm。滑块13的内径、外径、径向角分别为60mm、186mm、15°，个数为12个；滑块13的结构为上下两层，上层为4mm厚的第四柔性材料(聚氨酯泡棉)，下层为100μm厚的负介电膜，例如具有电负性的聚四氟乙烯(PTFE)。

当转子与定子摩擦后(即滑块13上的负介电膜和定子上的第三柔性材料之间发生摩擦)，滑块上的负介电膜表面带有带负电荷，定子上的第三柔性材料表面带正电荷。由于介电体积效应，摩擦产生的正电荷不完全束缚于第三柔性材料的表面，而是可以在第三柔性材料内发生电荷迁移，一部分迁移到滑块上负介电膜3，一部分迁移到第一扇形电极11。

在对一种基于摩擦电荷迁移的转动式摩擦纳米发电机的电性能输出测试过程中，用可编程步进电机模拟外界旋转的机械能，第一扇形电极11、第二扇形电极12作为输出端连接静电计(Keithley 6514)和高速静电电压表(Trek model370)来测试其转移电荷、短路电流和开路电压的输出情况。

如图6a所示，在60转/分的驱动频率下转动式发电机的电荷输出为3μC，相应的电流和电压输出分别能达到100μA和9kV。此外，在60转/分的驱动频率下，测试了转动式发电机在不同负载电阻下的功率输出，如图6b所示，转动式发电机的最大功率密度高达40.9Wm-2Hz-1，远高于传统的介电表面效应的接触式TENG的输出。同时，如图6c所示，在20万次持续循环运行后，转动式发电机的输出没有出现任何的衰减，表现出超强耐久性。

如图7a所示，转动式发电机在60转/分的转速下直接点亮7,552个直径为5mm的绿色LED灯。此外，如图7b所示，转动式发电机可以成功驱动70个平行连接的商用温湿度计稳定工作。最后，如图7c所示，转动式发电机在60转/分的转速下可以为手机持续充电。

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 (8)

1.一种基于摩擦电荷迁移的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括滑块和定子；所述滑块上设置具有电负性的负介电膜，所述定子上设置有具有漏电特性的柔性材料；

所述滑块上的负介电膜和定子上的柔性材料进行接触摩擦产生摩擦电荷，摩擦电荷在柔性材料中实现上下迁移。

2.如权利要求1所述的一种基于摩擦电荷迁移的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为滑动式时：

所述滑块包括第一基板、第一柔性材料和负介电膜；第一柔性材料覆盖在第一基板的下表面，负介电膜覆盖在第一柔性材料的下表面；

所述定子包括第二基板、第一电极、第二电极、第二柔性材料；第一电极和第二电极为电极对，分别设置在第二基板的上表面，且第一电极和第二电极之间具有间隔缝隙；第二柔性材料覆盖在第一电极和第二电极的上表面以及间隔缝隙。

3.如权利要求2所述的一种基于摩擦电荷迁移的摩擦纳米发电机，其特征在于，第一基板的材料为硬质的亚克力基板，长*宽*厚度＝20mm*50mm*5mm；第一柔性材料的材料包括但不限于为柔性的聚氨酯泡棉，负介电膜的材料为具有电负性的聚四氟乙烯，厚度为100μm。

4.如权利要求2所述的一种基于摩擦电荷迁移的摩擦纳米发电机，其特征在于，第二基板的材料为硬质的亚克力基板，长*宽*厚度＝70mm*150mm*5mm；第一电极、第二电极的材料为铝电极，长*宽*厚度＝20mm*50mm*15μm；第二柔性材料为具有漏电特性的材料，包括但不限于聚氨酯泡棉。

5.如权利要求4所述的一种基于摩擦电荷迁移的摩擦纳米发电机，其特征在于，第二柔性材料的厚度不小于0.1mm。

6.如权利要求1所述的一种基于摩擦电荷迁移的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为转动式时，包括定子和转子：

所述定子包括第三基板、第一扇形电极、第二扇形电极、第三柔性材料；第一扇形电极、第二扇形电极为电极对，间隔设置在第三基板的上表面，且第一扇形电极、第二扇形电极之间具有间隔缝隙；第三柔性材料完全覆盖在第一扇形电极、第二扇形电极的上表面；

所述转子包括第四基板和n个滑块，n个滑块均匀设置第四基板的上表面；滑块为双层结构，与第四基板的上表面接触的第一层为第四柔性材料，第二层为具有电负性的介电膜。

7.如权利要求6所述的一种基于摩擦电荷迁移的摩擦纳米发电机，其特征在于，第一扇形电极的内径、外径、径向角分别为60mm、178mm、15°，第二扇形电极的内径、外径、径向角分别为68mm、186mm、15°；第三基板的材料为硬质的圆形亚克力基板，内径、外径、厚度分别为16mm、200mm、4mm；第三柔性材料为具有漏电特性的材料，包括但不限于聚氨酯泡棉。

8.如权利要求6所述的一种基于摩擦电荷迁移的摩擦纳米发电机，其特征在于，第四基板的材料为硬质的圆形亚克力基板，内径、外径、厚度分别为16mm、186mm、4mm；滑块13的内径、外径、径向角分别为60mm、186mm、15°，n＝12。