CN113078842B - 一种粘性摩擦纳米发电机 - Google Patents

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Abstract

一种粘性摩擦纳米发电机，涉及纳米发电机技术领域，所述的纳米发电机包括至少设有一个粘性层的摩擦副，以及设于摩擦副之间用于将电能导出的导电元件。本发明提供了一种粘性摩擦纳米发电机，该发电机通过增加摩擦副表面粘度的方式，使摩擦副之间的接触面积增大，从而使摩擦更充分，进而获得更大的摩擦电输出。

Description

一种粘性摩擦纳米发电机
技术领域
本发明涉及纳米发电机技术领域，具体涉及一种粘性摩擦纳米发电机。
背景技术
2012年，佐治亚理工学院王中林教授团队利用摩擦起电和静电感应的耦合作用发明了能将机械能转化为电能的摩擦纳米发电机(TENG)。在发电机的能量收集过程中，两种摩擦电极性不同的材料相接触后在表面生成摩擦电荷，分离时会产生电势差从而在外界电路上形成电流输出。这种新型发电机可以用于收集各种形式的机械能量，如人体运动能、机械振动能、旋转能、风能、声波能、雨滴能和海浪能等。2013年，Chen等人通过制造出一种基于谐波谐振器的摩擦纳米发电机。基于谐振器的摩擦纳米发电机具有多层结构，以亚克力板为基板，重量轻、成本低、可加工性好的丙烯酸酯为结构材料。在上基板上，具有纳米孔结构的铝薄膜作为电极和摩擦层，下基板上的摩擦层是具有纳米线阵列结构的聚四氟乙烯，电极材料为铜。为了收集生活中多种多样的机械能，出现了各种各样结构样式的摩擦纳米发电机，但还未出现以粘性物质为摩擦副的摩擦纳米发电机。
现有技术方案主要从材料表面结构着手，如制备具有微纳结构的材料表面。材料表面的微纳结构理论上讲有增强摩擦纳米发电输出的能力，但是关于摩擦副在对摩时是否因为微纳结构的存在而使有效摩擦面积增大尚在进一步研究之中。目前关于摩擦纳米发电机的研究均未考虑到用粘性表面以增大摩擦副之间接触面积。
发明内容
为解决现有技术问题，本发明提供了一种粘性摩擦纳米发电机，该发电机通过增加摩擦副表面粘度的方式，使摩擦副之间的接触面积增大，从而使摩擦更充分，进而获得更大的摩擦电输出。
为解决上述问题，本发明技术方案为：
一种粘性摩擦纳米发电机，所述的纳米发电机包括至少设有一个粘性层的摩擦副，以及设于摩擦副之间用于将电能导出的导电元件。
优选的，所述的摩擦副由粘性层和摩擦层构成，所述的粘性层包括第一基底层、以及覆盖于第一基底层下表面的粘性材料层，所述的粘性材料层的上表面与第一基底层的下表面粘性连接，所述的粘性材料层的下表面与摩擦层的摩擦面配合使用。
优选的，所述的摩擦层包括摩擦材料层、以及设于摩擦材料层下方的第二基底层，所述的摩擦材料层的下表面与第二基底层的上表面粘性连接，所述的摩擦材料层的上表面构成摩擦面。
优选的，所述的导电元件由导电材料构成，所述的导电元件包覆于摩擦材料层的下表面与第二基底层的上表面之间，并通过导线将电能输出。
优选的，所述的第一基底层和第二基底层分别由聚甲基丙烯酸甲酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚乙烯或聚氯乙烯或聚丙烯或Q235钢或A3钢材料制成，所述的粘性材料层由聚氨酯类粘合剂或多聚异氰酸酯或多元醚或多元醇类不干胶材料制成。
优选的，所述的摩擦材料层由为绝缘材料制成。
优选的，所述的绝缘材料为聚酰亚胺或聚四氟乙烯或聚酰胺尼龙66或聚酰胺尼龙11或聚二甲基硅氧烷或聚氯乙烯或聚三氟乙烯或聚甲醛或乙烯纤维素或碳酸酯或聚氯醚。
优选的，所述的摩擦面为电中性或带有电荷的结构；部分或全部摩擦面为微纳米结构，所述微纳米结构为纳米线或纳米管或纳米颗粒。
优选的，所述的导电材料为硬质材料或柔性材料，所述的导电材料为金属或导电氧化物或导电高分子材料。
本发明一种粘性摩擦纳米发电机具有如下有益效果：本发明提供了一种通过粘性固-固摩擦构建纳米发电机的思路，通过在摩擦副表面添加粘性物质，增大摩擦副的有效摩擦面积和摩擦力，进而提高摩擦纳米发电机的摩擦电输出。
附图说明
图1、本发明的结构示意图；
图2、本发明实验例1的实验数据图；
图3、本发明实验例2的实验数据图(图中左侧的线形图为无粘性物质的对照组数据，右侧的线形图为有粘性物质的实验组数据)；
图4、本发明实验例3的实验数据图(图中左侧的线形图为无粘性物质的对照组数据，右侧的线形图为有粘性物质的实验组数据)；
1：粘性层，2：摩擦层，3：导电元件，1-1：第一基底层，1-2：粘性材料层，2-1：摩擦材料层，2-2：第二基底层。
具体实施方式
以下所述，是以阶梯递进的方式对本发明的实施方式详细说明，该说明仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”“下”“左”“右”“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、以及特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图1所示：
一种粘性摩擦纳米发电机，所述的纳米发电机包括至少设有一个粘性层1的摩擦副，以及设于摩擦副之间用于将电能导出的导电元件3；
所述的摩擦副由粘性层1和摩擦层2构成，所述的粘性层1包括第一基底层1-1、以及覆盖于第一基底层1-1下表面的粘性材料层1-2，所述的粘性材料层1-2的上表面与第一基底层1-1的下表面粘性连接，所述的粘性材料层1-2的下表面与摩擦层2的摩擦面配合使用；
所述的摩擦层2包括摩擦材料层2-1、以及设于摩擦材料层2-1下方的第二基底层2-2，所述的摩擦材料层2-1的下表面与第二基底层2-2的上表面粘性连接，所述的摩擦材料层2-1的上表面构成摩擦面；
所述的导电元件3由导电材料构成，所述的导电元件包覆于摩擦材料层2-1的下表面与第二基底层2-2的上表面之间，并通过导线将电能输出；
所述的第一基底层1-1和第二基底层2-2分别由聚甲基丙烯酸甲酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚乙烯或聚氯乙烯或聚丙烯或Q235钢或A3钢材料制成，所述的粘性材料层1-2由聚氨酯类粘合剂或多聚异氰酸酯或多元醚或多元醇类不干胶材料制成；
所述的摩擦材料层2-1由为绝缘材料制成；
所述的绝缘材料为聚酰亚胺或聚四氟乙烯或聚酰胺尼龙66或聚酰胺尼龙11或聚二甲基硅氧烷或聚氯乙烯或聚三氟乙烯或聚甲醛或乙烯纤维素或碳酸酯或聚氯醚；
所述的摩擦面为电中性或带有电荷的结构；部分或全部摩擦面为微纳米结构，所述微纳米结构为纳米线或纳米管或纳米颗粒；
所述的导电材料为硬质材料或柔性材料，所述的导电材料为金属或导电氧化物或导电高分子材料。
实验例1、
采用聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)为粘性层和摩擦层基体，粘性物质选用聚氨酯类粘合剂，摩擦层选用聚四氟乙烯，导电元件选用2段铜胶带，并在两段铜胶带上接有铜导线。图2所示为本实验的电流数据图，通过实验分别测试了在机械运动为1Hz、2Hz、3Hz时产生的交流电输出。图中数据显示：通过设置粘性层，使纳米发电机具有良好的电输出性能，运动频率越快时，产生的摩擦电输出电流越大。
实验例2、
实验组采用PMMA为粘性层和摩擦层基体，粘性物质选用聚氨酯类粘合剂，摩擦层选用聚四氟乙烯(PTFE)，导电层选用铜胶带，并在两导电层上接有铜导线；对照组依据实验组的设置去除由粘性物质构成的粘性层。
实验例3、
实验组采用PMMA为粘性层和摩擦层基体，粘性物质选用聚氨酯类粘合剂，摩擦层选用聚酰亚胺(PI)，导电层选用铜胶带，并在两导电层上接有铜导线；对照组依据实验组的设置去除由粘性物质构成的粘性层。
从实验例2、3可以看出，通过在摩擦副表面添加粘性物质，可以增大摩擦副的有效摩擦面积和摩擦力，进而提高摩擦纳米发电机的摩擦电输出。
本发明的工作原理：如图1所示，粘性层与摩擦层初始为分开状态，粘性层受力与摩擦层贴紧时，由于其表面特有的粘稠度使粘性层和摩擦层紧密贴合；之后粘性层在外力作用下与摩擦层分开，由于它们之间的摩擦关系导致摩擦层和粘性层分别带上了异种电荷。此时，在导电元件上产生与摩擦层相异的感应电荷。之后，粘性层和摩擦层不断进行接触和分离运动，进而造成由导电元件连接的外电路电子的转移，产生输出信号。

Claims (4)

1.一种粘性摩擦纳米发电机，其特征为：所述的纳米发电机包括至少设有一个粘性层的摩擦副，以及设于摩擦副之间用于将电能导出的导电元件；通过在摩擦副表面添加粘性物质增加摩擦副表面粘度；
所述的摩擦副由粘性层和摩擦层构成；
所述的粘性层包括第一基底层、以及覆盖于第一基底层下表面的粘性材料层，所述的粘性材料层的上表面与第一基底层的下表面粘性连接，所述的粘性材料层的下表面与摩擦层的摩擦面配合使用；
所述的摩擦层包括摩擦材料层、以及设于摩擦材料层下方的第二基底层，所述的摩擦材料层的下表面与第二基底层的上表面粘性连接，所述的摩擦材料层的上表面构成摩擦面；
所述的第一基底层和第二基底层分别由聚甲基丙烯酸甲酯或聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚乙烯或聚氯乙烯或聚丙烯或Q235钢或A3钢材料制成，所述的粘性材料层由聚氨酯类粘合剂或多聚异氰酸酯或多元醚或多元醇类不干胶材料制成；
所述的摩擦材料层由为绝缘材料制成；
所述的绝缘材料为聚酰亚胺或聚四氟乙烯或聚酰胺尼龙66或聚酰胺尼龙11或聚二甲基硅氧烷或聚氯乙烯或聚三氟乙烯或聚甲醛或乙烯纤维素或碳酸酯或聚氯醚。
2.如权利要求1所述的一种粘性摩擦纳米发电机，其特征为：所述的导电元件由导电材料构成，所述的导电元件包覆于摩擦材料层的下表面与第二基底层的上表面之间，并通过导线将电能输出。
3.如权利要求1或2所述的一种粘性摩擦纳米发电机，其特征为：所述的摩擦面为电中性或带有电荷的结构；部分或全部摩擦面为微纳米结构，所述微纳米结构为纳米线或纳米管或纳米颗粒。
4.如权利要求1所述的一种粘性摩擦纳米发电机，其特征为：所述的导电材料为硬质材料或柔性材料，所述的导电材料为金属或导电氧化物或导电高分子材料。
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