CN109039144A - 一种基于3d打印技术的柔性摩擦发电装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于3D打印技术的柔性摩擦发电装置，包括基座及摩擦单元，摩擦单元贴附在基座上，基座包括底板和支撑单元，底板有多个，各个底板上下平行设置，相邻的两个底板之间均设有多组支撑单元，每组支撑单元均包括上支撑部和下支撑部，其中，上支撑部的中部向上突起并与位于上方的底板固定连接，下支撑部的中部向下突起并与位于下方的底板固定连接，上支撑部和下支撑部铰接，摩擦单元有多组，分别设置于基座上，每组摩擦单元均包括第一摩擦层、第一背电极和第二摩擦层，第一摩擦层贴附在第一背电极上，第一摩擦层和第二摩擦层上下对应设置。本发明能够提高摩擦纳米发电装置输出性能，降低摩擦纳米发电装置的制作成本。
Description
技术领域
本发明属于发电机技术领域，具体涉及一种基于3D打印技术的柔性摩擦发电装置。
背景技术
可穿戴设备和便携式电子设备因其轻便、极好的柔韧性、运行安全、与人体良好的兼容性等优点已广泛应用于无线通信、多功能娱乐、人体健康监控等诸多领域。这些电子设备均需稳定的能量源驱动，像电池和超级电容器这样的能量存储设备被广泛应用于商业化的可穿戴和电子设备，然而这种传统的能量存储设备需要外部电源充电，并且需要定期进行维护更换，成本高昂且操作繁琐。
摩擦纳米发电机作为一种新兴的能量收集与转换装置，因其构造简单，选材广泛，成本低廉，能量转换效率高等优点，自2012年被王中林教授团队发明以来在全世界范围内引起诸多科研工作者的关注。基于摩擦纳米发电机的自驱动***可将周围环境中的机械能转化为电能，用于能量存储或直接驱动应用***，并且摩擦纳米发电机已实现如将人体运动、机械振动、风能、声波、雨滴和海浪等转化为电能，并且有望成为新时代蓝色能源的关键技术，对人类探索开发蕴藏着巨大能量的浩瀚海洋具有重要的研究价值和商业潜力。
然而，现有摩擦纳米发电机仍存在一些技术不足之处，其作为一种能量收集与转换装置，实用化推广在很大程度上依赖于个性化的模型结构，并且在与可穿戴设备，便携式电子设备等这种较为轻便的产品结合时，对摩擦纳米发电机同样要求其具有轻便、柔韧性良好、输出功率高等特点，而制作成高、加工精度低的传统加工方法束缚了摩擦纳米发电机的发展应用。
3D打印技术理论上可以加工任意复杂结构的三维模型，利用3D打印技术的优势与新兴的摩擦纳米发电机技术相结合，并且使用柔性耗材作为3D打印材料，可以很大程度降低柔性摩擦纳米发电机的制作成本，提升柔性摩擦纳米发电机模型的创新和个性化设计空间，极大地拓宽柔性摩擦纳米发电机的推广应用范围，为解决能源问题提供更多机会，以造福人类社会。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于3D打印技术的柔性摩擦发电装置，能够提高柔性摩擦纳米发电机输出性能，降低柔性摩擦纳米发电机制作成本。
为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种基于3D打印技术的柔性摩擦发电装置，包括基座及摩擦单元，基座由3D打印机将打印耗材加热挤出到3D打印机加热玻璃平板上，并逐层叠加制作而成，摩擦单元贴附在基座上，基座采用热塑性弹性体材料制成，基座包括底板和支撑单元，底板有多个，各个底板上下平行设置，相邻的两个底板之间均设有多组支撑单元，每组支撑单元均包括上支撑部和下支撑部，其中，上支撑部的中部向上突起并与位于上方的底板固定连接，下支撑部的中部向下突起并与位于下方的底板固定连接，上支撑部和下支撑部铰接，所述摩擦单元有多组，分别设置于基座上，每组摩擦单元均包括第一摩擦层、第一背电极和第二摩擦层，第一摩擦层贴附在第一背电极上，第一摩擦层和第二摩擦层上下对应设置，各个第一背电极依次并联后引出电源线，各个第二摩擦层依次并联后引出电源线。
优选的，所述第一背电极分别设置于位于下方的底板的上表面、上支撑部的上表面及下支撑部的上表面，第二摩擦层分别设置于位于上方的底板的下表面、下支撑部的下表面及上支撑部的下表面，第一摩擦层和第二摩擦层的大小和位置相对应。
优选的，第一摩擦层采用聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚对二甲苯薄膜，第二摩擦层采用金属铜箔，第一背电极采用金属铜箔。
优选的，所述第二摩擦单元还包括第二背电极，第二摩擦层贴在第二背电极上，第二背电极分别设置于位于上方的底板的下表面、下支撑部的下表面及上支撑部的下表面。
优选的，所述第二摩擦层采用聚酰亚胺薄膜或尼龙薄膜。
优选的，所述基座采用热塑性聚氨酯橡胶制成。
本发明利用3D打印技术制作摩擦纳米发电装置，能够提高摩擦纳米发电装置输出性能，降低摩擦纳米发电装置的制作成本，所制造出的摩擦纳米发电装置具有结构简单，成本低廉、输出电压高、电流大等优点，可用于收集往复运动形式的机械能，以产生电能；打印材料采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶，本身具有良好回弹特性、柔韧性和良好的机械性能，可以满足在不同应用场景下工作以收集机械能；摩擦单元有多个，可根据使用需求改变所并联的摩擦单元的数量，以满足使用需求。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为图1中A处的局部放大图；
图3为本发明的加工过程示意图；
图4为本发明的工作原理图；
图5为本发明的开路电压数据图；
图6为本发明并联不同数量的摩擦单元的短路电流数据图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其他所有实施例，都属于本发明的保护范围。
如图1至图4所示，本发明公开了一种基于3D打印技术的柔性摩擦发电装置，包括基座及摩擦单元，基座由3D打印机将打印耗材加热挤出到3D打印机加热玻璃平板7上，并逐层叠加制作而成，摩擦单元贴附在基座上，基座包括底板1和支撑单元，底板1有多个，各个底板1上下平行设置，相邻的两个底板1之间均设有多组支撑单元，每组支撑单元均包括上支撑部6和下支撑部5，其中，上支撑部6的中部向上突起并与位于上方的底板1固定连接，下支撑部5的中部向下突起并与位于下方的底板1固定连接，上支撑部6和下支撑部5的端部铰接。
摩擦单元有多组，分别设置于底板1上和支撑单元上，在本实施例中，采用六组摩擦单元，每组摩擦单元均包括两组第一摩擦层2、第一背电极、第二摩擦层3和第二背电极4，第一摩擦层2贴附在第一背电极上，第二摩擦层3贴附在第二背电极4上，其中，第一组摩擦单元中的第一背电极分别贴附在位于下方的底板1的上表面上，第一组摩擦单元中的第二背电极4分别贴附在下支撑部5的下表面上，第二组摩擦单元中的第一背电极分别贴附在下支撑部5的上表面，第二组摩擦单元中的第二背电极4分别贴附在上支撑部6的下表面，第三组摩擦单元中的第一背电极分别贴附在上支撑部6的上表面，第三组摩擦单元中的第二背电极4分别贴附在位于上方的底板1的下表面，各个第一背电极依次并联后引出电源线，各个第二背电极4依次并联后引出电源线；每组摩擦单元中的第一摩擦层2和第二摩擦层3的大小和形状相同，且位置相对应。
第一摩擦层2和第二摩擦层3采用介电常数相差较大的材料制成，使得第一摩擦层3和第二摩擦层2对电子束缚能力差别较大，在本实施例中，第一摩擦层2采用聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚对二甲苯薄膜，第二摩擦层3采用金属铜箔、聚酰亚胺薄膜或尼龙薄膜，第二摩擦层3采用金属铜箔时，可省略第二背电极，第二摩擦层3可直接做第二背电极使用，第一背电极和第二背电极4均采用金属铜箔。第二摩擦层3经过电子注入预处理，提高了摩擦层表面电荷密度，从而可以获得较高的输出性能。
在本实施例中，第一摩擦层2、第二摩擦层3、第一背电极和第二背电极4的尺寸均为20mm×40mm，厚度均为50μm～1mm，优选0.1mm。
此外，基座采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶制成。
如图4（a）所示，在初始状态时，第一摩擦层2与第二摩擦层3紧密接触，由于摩擦起电效应，第一摩擦层2与第二摩擦层3的内表面会带上符号相反的静电荷，其中第一摩擦层2的内表面带正电荷，第二摩擦层3的内表面带负电荷；如图4（b）和4（c）所示，当第一摩擦层2与第二摩擦层3在外力作用下分开小段距离时，两个电极之间会产生感应电势差，这个电势差会驱动两个电极之间的电子在外电路转移，形成电流，直至电势差被平衡掉；如图4（d）所示，当第一摩擦层2与第二摩擦层3在外力作用下回到初始位置时，由于摩擦起电效应，第一摩擦层2与第二摩擦层3再次分别带上符号相反的静电荷，连接外电路，形成周期性循环回路。
在本实施例中，为摩擦单元选择频率为1～3Hz，振幅为29mm的往复振动作为驱动力，按上述方案，可以得到如图5所示的柔性摩擦纳米发电装置的开路电压数据图，其输出的最大开路电压基本在＋410V以上，如图5所示，在短路情况下，其最大电流在＋350μA以上。
本发明在使用时，可与可穿戴设备或便携式电子设备等较为轻便的产品结合，来为摩擦单元提供动力，例如，本发明可放置于鞋内，使用者在走路时，使第一摩擦层与第二摩擦层接触和分离，从而产生电能，由于支撑单元采用热塑性聚氨酯弹性体橡胶制成，在外力消失后，支撑单元能够自动复位，从而带动第一摩擦层和第二摩擦层分离，往复循环，从而产生电能。
Claims (6)
1.一种基于3D打印技术的柔性摩擦发电装置，其特征在于：包括基座及摩擦单元，基座由3D打印机将打印耗材加热挤出到3D打印机加热玻璃平板上，并逐层叠加制作而成，摩擦单元贴附在基座上，基座采用热塑性弹性体材料制成，基座包括底板和支撑单元，底板有多个，各个底板上下平行设置，相邻的两个底板之间均设有多组支撑单元，每组支撑单元均包括上支撑部和下支撑部，其中，上支撑部的中部向上突起并与位于上方的底板固定连接，下支撑部的中部向下突起并与位于下方的底板固定连接，上支撑部和下支撑部铰接，所述摩擦单元有多组，分别设置于基座上，每组摩擦单元均包括第一摩擦层、第一背电极和第二摩擦层，第一摩擦层贴附在第一背电极上，第一摩擦层和第二摩擦层上下对应设置，各个第一背电极依次并联后引出电源线，各个第二摩擦层依次并联后引出电源线。
2.如权利要求1所述的一种基于3D打印技术的柔性摩擦发电装置，其特征在于：所述第一背电极分别设置于位于下方的底板的上表面、上支撑部的上表面及下支撑部的上表面，第二摩擦层分别设置于位于上方的底板的下表面、下支撑部的下表面及上支撑部的下表面，第一摩擦层和第二摩擦层的大小和位置相对应。
3.如权利要求2所述的一种基于3D打印技术的柔性摩擦发电装置，其特征在于：第一摩擦层采用聚四氟乙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚对二甲苯薄膜，第二摩擦层采用金属铜箔，第一背电极采用金属铜箔。
4.如权利要求2所述的一种基于3D打印技术的柔性摩擦发电装置，其特征在于：所述第二摩擦单元还包括第二背电极，第二摩擦层贴在第二背电极上，第二背电极分别设置于位于上方的底板的下表面、下支撑部的下表面及上支撑部的下表面。
5.如权利要求4所述的一种基于3D打印技术的柔性摩擦发电装置，其特征在于：所述第二摩擦层采用聚酰亚胺薄膜或尼龙薄膜。
6.如权利要求3或5所述的一种基于3D打印技术的柔性摩擦发电装置，其特征在于：所述基座采用热塑性聚氨酯橡胶制成。
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