CN106685256A - 一种薄膜摩擦发电智能球 - Google Patents

Abstract

本发明涉及智能球技术领域，具体涉及一种薄膜摩擦发电智能球，包括球体，所述球体内设有N对发电薄膜层，每对发电薄膜层包括第一电极薄膜层和第二电极薄膜层，所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层相对设置，所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层的相对面分别设置有第一摩擦增益层和第二摩擦增益层，所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层的背离面分别镀设有第一电极层和第二电极层，所述第一摩擦增益层和第二摩擦增益层相对且相互之间的垂直距离d满足以下条件：0≤d≤1cm，所述球体内壁还设有电路组件，所述发电薄膜层通过导线与电路组件电性连接。本发明从而从两个维度极大地增加了摩擦表面的摩擦力度，进一步提高输出电压电流。

Description

一种薄膜摩擦发电智能球

技术领域

本发明涉及智能球技术领域，具体涉及一种薄膜摩擦发电智能球。

背景技术

球体，例如足球、篮球、橄榄球等，其作为运动载体的同时被不断地通过拍打、撞击等方式实现运动辅助功能。然而，现有的球体其功能定位仅限于运动辅助，而球体本身由于被外部势能的作用而产生的形变和震动的本身能量，却没有被很好的利用。现有技术中有通过在球体内部设置感应线圈和永磁体，通过永磁体在运动过程中的运动切割感应线圈，来实现电磁感应发电。电磁感应发电其涉及到在球体内部部署永磁体及感应线圈，其大大增加整个球体的重量。

发明内容

为此，需要提供一种薄膜摩擦发电智能球，通过一种全新的方式来获得高效球内发电的同时并不过多增加球体的重量，并且能够实现对球体运动过程中对于球体形变及运动势能的高效捕捉，并最大程度地转换为电能进行存储。

为实现上述目的，本发明提供了一种薄膜摩擦发电智能球，包括球体，所述球体内设有N对发电薄膜层，每对发电薄膜层包括第一电极薄膜层和第二电极薄膜层，所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层相对设置，所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层的相对面分别设置有第一摩擦增益层和第二摩擦增益层，所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层的背离面分别镀设有第一电极层和第二电极层，所述第一摩擦增益层和第二摩擦增益层相对且相互之间的垂直距离d满足以下条件： 0≤d≤1cm，所述球体内壁还设有电路组件，所述发电薄膜层通过导线与电路组件电性连接。

进一步的，所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层选自聚四氟乙烯（PTFE）、聚酯纤维、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料经氧气以及四氟化碳混合气体所产生的等离子体进行表面改性后的材质中的一种，但所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层材质不同。若所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层选择相同的材质制作，则当摩擦发生时，两第一电极薄膜层和第二电极薄膜层之间产生电荷分离并形成电势差过小，经由外部电路组件形成的电流过小。

优选的，第一电极薄膜层选用聚酯纤维材质制作而成，所述第二电极薄膜层采用聚二甲基硅氧烷材质制作而成。

进一步的，所述第一电极层采用金属导电材料通过真空溅射法或化学气相沉积工艺，在第一电极薄膜层一侧表面制作出完整的金属电极。

进一步的，所述第二电极层采用金属导电材料通过真空溅射法或化学气相沉积工艺，在第二电极薄膜层一侧表面制作出完整的金属电极。

优选的，所述金属电极为圆形或非圆形金属电极。

优选的，所述金属导电材料选自金、银、铜、铝、钛、钨、烙及其合金中的一种，金属电极厚度优选为100nm-4000nm。

进一步的，所述摩擦增益层105包括设置在第一电极薄膜层另一侧表面的第一微粒状凸起层，以及覆盖在第一微粒状凸起层上且与第一电极薄膜层紧密贴合的第一纳米金属层。

进一步的，所述摩擦增益层106包括设置在第二电极薄膜层另一侧表面的第二微粒状凸起层，以及覆盖在第二微粒状凸起层上且与第二电极薄膜层紧密贴合的第二纳米金属层。

优选的，所述第一微粒状凸起层和第二微粒状凸起层均采用纳米级SiO 2和纳米级Al2O3材料混合制作而成。

优选的，所述第一纳米金属层和第二纳米金属层利用溅射或蒸发工艺制作而成。

区别于现有技术，上述技术方案具有的有益效果如下：通过在球体内设置N对发电薄膜层，每对N对发电薄膜层构成摩擦发电装置，借助一种分离技术，当摩擦发生时，两层电极薄膜层之间产生电荷分离并形成电势差，经由外部电路即可形成电流。在摩擦中，第一电极薄膜层产生电子，第二电极薄膜层则负责接收电子，从将产生的电流和电压通过导线输出到电路组件中，并通过整流滤波过程为摩擦发电智能球的电路组件的其他电子器件供电。

2、每对发电薄膜层的相对侧面均设有摩擦增益层，该摩擦增益层结构采用微粒状凸起层和纳米金属层结构，当两个发电薄膜层发生摩擦时，该微粒状凸起层能够在竖直方向上增加摩擦，而纳米金属层能够在水平方向上增加摩擦，从而从两个维度极大地增加了摩擦表面的摩擦力度，进一步提高输出电压电流。

附图说明

图1为本发明实施例1的剖视图。

图2为本发明实施例1的发电薄膜层结构剖视图（局部省略）。

图3为本发明实施例1的电路结构示意图。

图4为本发明实施例2的剖视图。

附图标记说明：

1、球体，10、发电薄膜层，101、电极薄膜层，102、电极薄膜层，103、电极层，104、电极层，105、摩擦增益层，106、摩擦增益层，107、微粒状凸起，108、纳米金属层，20、电路组件，201、整流电路，202、电源控制电路，203、蓄电池，204、其他电路， 30、导线。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

实施例1：

请参阅图1至图3，本实施例1的一种薄膜摩擦发电智能球，包括球体1，所述球体内设有一对发电薄膜层10，该对发电薄膜层10包括电极薄膜层101和电极薄膜层102，所述电极薄膜层101和电极薄膜层102相对设置，所述电极薄膜层101和电极薄膜层102的背离面分别镀设有电极层103、104，所述电极薄膜层101和电极薄膜层102的相对面分别设有摩擦增益层105、106，所述摩擦增益层105和摩擦增益层106相对且相互之间的垂直距离d满足以下条件： 0≤d≤1cm，所述球体内壁还设有电路组件20，所述发电薄膜层10通过导线与电路组件20电性连接。

所述电极层103和电极层104作为电压和电流输出电极，并通过导线与电路组件电性连接，从而将发电薄膜层摩擦产生的电压和电流输出至电路组件进行存储。每对发电薄膜层之间距离设置符合以下条件：当球受碰撞或在滚动过程中使发电薄膜层产生形变并发生摩擦，当球体恢复形变后，该对发电薄膜层能够分离。

本实施例中，所述电极薄膜层101采用聚四氟乙烯（PTFE）材质制作而成，所述电极薄膜层102采用聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）材料经氧气以及四氟化碳混合气体所产生的等离子体进行表面改性后的材质制作而成，

聚四氟乙烯（PTFE或Teflon），俗称“塑料王”，是一种柔性高分子材料，具有优良的综合性能，如表1所示。PTFE的优良性能使其在化工、机械、电子、电器、军工、航天、环保和桥梁行业都有广泛的应用。PTFE的可加工性较强，可以通过多种改性方法获得所需的PTFE材料，如表面改性、填充改性、共混改性等。PTFE薄膜是一种工程塑料，一半应用于性能要求较高的耐腐蚀的管道、容器、泵、阀以及制雷达、高频通讯器材、无线电器材等。其具有以下特性：

耐高温：使用工作温度达250℃，耐低温：具有良好的机械韧性，即使温度下降到-196℃，也可保持5%的伸长率，无毒害：具有生理惰性，作为人工血管和脏器长期植入体内无不良反应，力学性能，不粘附：光滑异常，连冰都比不过它，是固体材料中最小的表面张力，不粘附任何物质。它的摩擦系数极小，仅为聚乙烯的1/5，这是全氟碳表面的重要特征。又由于氟-碳链分子间作用力极低，所以聚四氟乙烯具有不粘性，绝缘性能优异：报纸厚的一层薄膜，便足以抵挡1500V的高压电。耐化学腐蚀和耐候性：除熔融的碱金属外，聚四氟乙烯几乎不受任何化学试剂腐蚀。例如在浓硫酸、硝酸、盐酸，甚至在王水中煮沸，其重量及性能均无变化，也几乎不溶于所有的溶剂，只在300℃以上稍溶于全烷烃（约0.1g/100g），优异的耐候性：不吸潮，不燃，对氧、紫外线均极稳定，有塑料中最佳的老化寿命。电性能：聚四氟乙烯在较宽频率范围内的介电常数和介电损耗都很低，而且击穿电压、体积电阻率和耐电弧性都较高。耐辐射性能：聚四氟乙烯的耐辐射性能较差（104拉德），受高能辐射后引起降解，高分子的电性能和力学性能均明显下降。

另一实施例中，电极薄膜层101选用聚酯纤维材质制作而成，所述电极薄膜层102采用聚二甲基硅氧烷材质制作而成。所述电极薄膜层101和电极薄膜层102的厚度为500-5000μm。

本实施例，所述电极层103采用金属导电材料通过真空溅射法或化学气相沉积工艺，在电极薄膜层101一侧表面制作出完整的金属电极。所述电极层104采用金属导电材料通过真空溅射法或化学气相沉积工艺，在电极薄膜层102一侧表面制作出完整的金属电极。所述金属电极为圆形或非圆形金属电极。所述金属导电材料选自金、银、铜、铝、钛、钨、烙及其合金中的一种，金属电极厚度优选为100nm-4000nm。

电极层103和电极层104通过导线30与电路组件20电性连接构成闭合回路，电路组件20包括依次电性连接的整流电路201、电源控制电路202、蓄电池203及其他电路204，所述整流电路201为桥式整流电路将发电产生的交流电转为直流电，电源控制电路202为升降压控制并对电池充电，其中升降压控制为电池充电提供稳定的输入电压，包含基於PWM控制的升降压芯片(buck-boost voltage regulator)，还有对蓄电池203进行充电管理的充电芯片，其他电路204为智能球相关的其他智能电路。

具体参考图2所示，本实施例，所述摩擦增益层105包括设置在电极薄膜层101一侧表面的微粒状凸起层107，以及覆盖在第一微粒状凸起层107上且与电极薄膜层101紧密贴合的纳米金属层108。

本实施例中，所述摩擦增益层106也包括设置在电极薄膜层102另一侧表面的微粒状凸起层109，以及覆盖在第二微粒状凸起层上且与电极薄膜层102紧密贴合的纳米金属层110。

本实施例，所述微粒状凸起层107和微粒状凸起层109均采用纳米级SiO 2和纳米级Al2O3材料混合制作而成。其制作工艺如下：在电极薄膜层101、102分别上采用粘合剂涂覆一层螺旋状形态纳米级SiO 2和纳米级Al2O3材料混合材料，该粘合剂采用溶胶SiO 2粘合剂。干燥后，利用溅射或蒸发工艺，将纳米级金属材料涂覆至所有纳米级SiO 2和纳米级Al2O3材料混合材料上以及电极薄膜层101、102其他没有涂覆上混合材料的部分。

本实施例中，所述纳米金属层108和纳米金属层110利用溅射或蒸发工艺制作而成。

本发明的工作原理如下：

发电薄膜层10由两种不同材质制作的电极薄膜层101和电极薄膜层102组成，在本实施例中，电极薄膜层101和电极薄膜层102之间的距离d为4㎜，如图4所示，当球体1收到外力碰撞发生形变时，电极薄膜层101和电极薄膜层102中部会贴合在一起，而碰撞的力度越大，则其贴合的力度也越大，撞击后由于薄膜本身的弹性形变会又分开，则在撞击和分开的过程中，两片电极薄膜层101和电极薄膜层102由于不断摩擦产生了电势变化，生成等量但电性相反的移动电荷。而电极层103和电极层104作为整个发电薄膜的正负电极与外部的电路组件电路连接，从而所述电极层103和电极层104作为电压和电流输出电极，并通过导线与电路组件电性连接，从而将发电薄膜层摩擦产生的电压和电流输出至电路组件进行存储。

在电极薄膜层101、102上设置摩擦增益层105、106，则可以增大接触区域面积，在摩擦增益层105、106的摩擦力作用下使得电极薄膜层101、102发生竖直和水平方向上的相对滑动，具体地，而微粒状凸起107、109增加竖直方向上的摩擦接触，而纳米金属层108、110则增加了水平方向上的摩擦滑动，且纳米金属层108、110的设置，能够增加电荷的产生，从而使得两个电极薄膜层101和电极薄膜层102之间的内电势大大增强。从而使得电极层103和电极层104产生更多的自由电荷，并在外电路导通情况下发生中和，形成外电流进入电路组件负载，对电流进行存储，并为球体1其他部件提供工作电压。

区别于现有技术，上述技术方案具有的有益效果如下：通过在球体内设置一对发电薄膜层，每对发电薄膜层构成摩擦发电装置，借助一种分离技术，当摩擦发生时，两层电极薄膜层之间产生电荷分离并形成电势差，经由外部电路即可形成电流。在摩擦中，电极薄膜层101产生电子，电极薄膜层102则负责接收电子，从将产生的电流和电压通过导线输出到电路组件中，并通过整流滤波过程为摩擦发电智能球的电路组件的其他电子器件供电。

2、每对发电薄膜层的相对侧面均设有摩擦增益层，该摩擦增益层结构采用微粒状凸起层和纳米金属层结构，当两个发电薄膜层发生摩擦时，该微粒状凸起层能够在竖直方向上增加摩擦，而纳米金属层能够在水平方向上增加摩擦，从而从两个维度极大地增加了摩擦表面的摩擦力度，进一步提高输出电压电流。

实施例2

请参阅图4，本实施例2的一种薄膜摩擦发电智能球1，其发电薄膜层10具有3对，每对发电薄膜层10都通过导线30与电路组件20电性连接。多对发电薄膜层10也增加了感应电流，从而为电路组件20提供更多工作电压和电流。

也就是说，在本发明中，该发电薄膜层10的对数不限，可以为N对，该N≥1，为正整数。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者终端设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者终端设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括……”或“包含……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者终端设备中还存在另外的要素。此外，在本文中，“大于”、“小于”、“超过”等理解为不包括本数；“以上”、“以下”、“以内”等理解为包括本数。

尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (10)

1.一种薄膜摩擦发电智能球，其特征在于：包括球体，所述球体内设有N对发电薄膜层，每对发电薄膜层包括第一电极薄膜层和第二电极薄膜层，所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层相对设置，所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层的相对面分别设置有第一摩擦增益层和第二摩擦增益层，所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层的背离面分别镀设有第一电极层和第二电极层，所述第一摩擦增益层和第二摩擦增益层相对且相互之间的垂直距离d满足以下条件： 0≤d≤1cm，所述球体内壁还设有电路组件，所述发电薄膜层通过导线与电路组件电性连接。

2.根据权利要求1所述的一种薄膜摩擦发电智能球，其特征在于：所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层选自聚四氟乙烯、聚酯纤维、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯材料经氧气以及四氟化碳混合气体所产生的等离子体进行表面改性后的材质中的一种，但所述第一电极薄膜层和第二电极薄膜层材质不同。

3.根据权利要求2所述的一种薄膜摩擦发电智能球，其特征在于：第一电极薄膜层选用聚酯纤维材质制作而成，所述第二电极薄膜层采用聚二甲基硅氧烷材质制作而成。

4.根据权利要求1所述的一种薄膜摩擦发电智能球，其特征在于：所述第一电极层采用金属导电材料通过真空溅射法或化学气相沉积工艺，在第一电极薄膜层一侧表面制作出完整的金属电极。

5.根据权利要求1所述的一种薄膜摩擦发电智能球，其特征在于：所述第二电极层采用金属导电材料通过真空溅射法或化学气相沉积工艺，在第二电极薄膜层一侧表面制作出完整的金属电极。

6.根据权利要求4或5所述的一种薄膜摩擦发电智能球，其特征在于：所述金属电极为圆形或非圆形金属电极。

7.根据权利要求6所述的一种薄膜摩擦发电智能球，其特征在于：所述金属导电材料选自金、银、铜、铝、钛、钨、烙及其合金中的一种，金属电极厚度优选为100nm-4000nm。

8.根据权利要求1所述的一种薄膜摩擦发电智能球，其特征在于：所述第一摩擦增益层包括设置在第一电极薄膜层一侧表面的第一微粒状凸起层，以及覆盖在第一微粒状凸起层上且与第一电极薄膜层紧密贴合的第一纳米金属层。

9.根据权利要求1所述的一种薄膜摩擦发电智能球，其特征在于：所述第二摩擦增益层包括设置在第二电极薄膜层一侧表面的第二微粒状凸起层，以及覆盖在第二微粒状凸起层上且与第二电极薄膜层紧密贴合的第二纳米金属层。

10.根据权利要求8或9所述的一种薄膜摩擦发电智能球，其特征在于：所述第一微粒状凸起层或第二微粒状凸起层均采用纳米级SiO 2和纳米级Al2O3材料混合制作而成。