CN109148157A - 一种复合电容结构及其制备方法与应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种复合电容结构，依次包括第一导电层，第一绝缘层，第二导电层，第二绝缘层，第三导电层，第三绝缘层以及第四导电层，其中第一电容结构包含第一导电层，第一绝缘层和第二导电层，第二电容结构包含第二导电层，第二绝缘层和第三导电层，第三电容结构包含第三导电层，第三绝缘层以及第四导电层，其中第二电容结构中的第二导电层，第二绝缘层和/或第三导电层可以相对移动从而改变第二电容结构的电容。通过导电层充电后的相对移动，来驱动电荷的移动，进行发电，实现将外部的能量捕获并转化为电能，实现高电流输出。
Description
技术领域
本发明涉及一种复合电容结构及其制备方法，尤其是涉及一种基于超润滑的复合电容结构及其构成的发电装置。
背景技术
随着智能终端设备和植入医疗设备尺寸的减小，功能的增加，导致这些设备对电源的持续供电能力提出了更高要求。目前，这些设备通常采用充电电池以外界充电的方式来解决电源供电不足的问题。但实际使用中发现，外界充电方式(即便是快速充电)仍不能很好的满足人们对充电速度快、充电时间短等的需求。
常用的供电设备中磁感应式发电装置是通过捕获外界的做功在磁场中感应产生电流，以提供电能，其发电结构由磁极和线圈转子组成；这类结构的发电装置产生稳定的发电需要一定大小的磁体来保持均匀的磁场，导致磁感应式发电装置尺寸大；不适合给上述智能终端设备和植入医疗设备供电。
相反的，人们生活中很多持续的活动存在有非常大的能量耗散没有被采集和利用，而传统的发电装置转化效率低，无法将这些微小活动有效转化为电能，例如手指在触摸屏幕上滑动的动能，人的肢体运动的动能，心脏跳动的动能，以及一些微小物体或有着微小运动的物体的移动动能。这样，需要设计出能够通过采集和捕获这些持续性活动的动能，将其转化为电能的供电装置，为上述智能终端设备和植入医疗设备提供方便、可靠且持续的电能。
目前，纳米发电装置是一种能够将微小运动能量捕获并转化为电能的发电设备，其通过不同物体之间相对摩擦来产生电荷，使得其中绝缘体表面带有电荷，再通过滑动时复式电容结构的改变来驱动电荷发生转移，产生电流；这种捕获微小动能的发电模式取得了一定的进展。然而，这种纳米发电装置仍然存在以下几个的技术困惑：
1、纳米发电装置依赖于两个摩擦材料的表面结构，对发电电量的调控难度较大；
2、纳米发电装置产生电荷的方式是通过物体间的摩擦，摩擦力大，产生电荷量就越大，同时带来负效应是摩擦损耗的能量相应变大，这限制了发电装置的能量转化效率；
3、纳米发电装置发电机理利用了摩擦，其长时间的摩擦工作不可避免地给材料带来巨大的磨损，这对用于摩擦的材料提出了很高的要求。
基于上述技术的难点，采用超润滑技术实现两个材料表面之间相对运动的零摩擦，为发电装置采集和捕获微小活动动能并高效率的转化为电能提供了一种新的可能性。
发明内容
为了克服上述传统发电装置和现有的摩擦式纳米发电装置存在的难点，本发明提出了一种复合电容结构及其构成的发电装置。该装置通过预先充电方式来使得发电装置的复合电容结构初始状态具有较高的电量，并通过捕获外面持续的微小活动动能，改变了电容的结构，驱动电容电荷转移，产生较大的电流和较高的能量转化效率。进一步的，通过复合电容结构中的绝缘层和导电层之间的原子级光滑表面实现无摩擦的超润滑运动，从而可实现更高的能量转化效率，更长的材料使用寿命和更高的电能输出。
为达到上述目的，本发明提供了如下所述的技术方案：
一种复合电容结构，依次包括第一导电层、第一绝缘层、第二导电层、第二绝缘层、第三导电层、第三绝缘层以及第四导电层；其中第一电容结构包含第一导电层、第一绝缘层和第二导电层；第二电容结构包含第二导电层、第二绝缘层和第三导电层；第三电容结构包含第三导电层、第三绝缘层以及第四导电层；其中，第二电容结构中的第二导电层、第二绝缘层和/或第三导电层可以相对移动从而改变第二电容结构的电容。
另外的，上述导电层包括具有导电性能的无机材料和/或有机材料；例如：金、银、铜、铁、铝及其合金等金属材料、导电碳材料、导电复合氧化物、导电陶瓷、导电聚合物等。
另外的，绝缘层材料可以为真空、气体、液体和/或固体材料；例如：真空、空气、氮气、稀有气体、矿物油、合成油、介电陶瓷、类金刚石材料等；优选空气、类金刚石材料。
另外的，绝缘层的厚度可以为任意厚度，任一所述绝缘层的厚度优选为0.5nm-50μm，更优选0.5nm-100nm。
另外的，第二导电层和/或第三导电层在其与第二绝缘层接触的表面上优选形成保护层，更优选第二导电层和第三导电层在其与第二绝缘层接触的表面上均形成保护层。
上述复合电容结构的制备方法，包括：
提供第一导电层，在第一导电层之上形成第一绝缘层，在第一绝缘层上形成第二导电层，从而得到第一电容结构；
提供第四导电层，在第四导电层之上形成第三绝缘层，在第三绝缘层上形成第三导电层，从而得到第三电容结构；
提供第二绝缘层；
将第一电容结构，第二绝缘层与第三电容结构复合得到复合电容结构。
一种超润滑复合电容结构，其包括上述复合电容结构，第二导电层和/或第三导电层在其与第二绝缘层接触的表面上形成超润滑材料层，从而形成超润滑的光滑表面。
另外的，所述超润滑材料包括二维材料；优选的，所述超润滑材料优选石墨、石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硒化钼、氟化石墨烯、二硫化钨、二硒化钨、铋、钼或云母等；最优选单层石墨烯。
另外的，绝缘层材料为固体材料；例如：介电陶瓷，类金刚石材料、绝缘聚合物材料、绝缘涂料等；优选特氟龙、类金刚石材料。
上述超润滑复合电容结构的制备方法，包括：
提供第二导电层，在第二导电层之上形成第一绝缘层，在第一绝缘层上形成第一导电层，任选地在第二导电层上形成第一超润滑材料层，从而得到第一电容结构；
提供第三导电层，在第三导电层之上形成第三绝缘层，在第三绝缘层上形成第四导电层，任选地在第三导电层上形成第二超润滑材料层，从而得到第三电容结构；
提供第二绝缘层；
将第一电容结构，第二绝缘层与第三电容结构复合得到复合电容结构。
另外的，所述第一电容结构的制备方法为，在二维超润滑材料表面镀第二导电层，在第二导电层之上镀第一绝缘层，在第一绝缘层上镀第一导电层，对所得复合层状结构进行刻蚀，得到所需形状和尺寸的第一电容结构。
另外的，所述第三电容结构的制备方法为，在二维超润滑材料表面镀第三导电层，在第三导电层之上镀第三绝缘层，在第三绝缘层上镀第四导电层，对所得复合层状结构进行刻蚀，得到所需形状和尺寸的第三电容结构。
另外的，所述二维超润滑材料为石墨或石墨烯。
另外的，刻蚀后滑动所得电容结构，存在自回缩现象的电容结构即为所需具有超润滑材料层的电容结构。
一种电容式发电装置，其包括上述复合电容结构，分别连接第一导电层和第四导电层的输出单元，以及驱动第二电容结构中的第二导电层，第二绝缘层和/或第三导电层可以相对移动的驱动单元。
所述电容式发电装置还包括为第二电容结构进行初始充电的充电单元。
一种转盘式容栅，其包含转子、定子、连轴器以及电刷，其中：
转子具有第一绝缘层上下表面对应设置有第一和第二导电材料阵列构成第一电容阵列，转子上的所有导电材料并联连接并且将上下两个面上的导电材料分别连接到转子中间的两个同心设置的导体圆环上，所述导体圆环分别设有对应的电刷；
定子也具有第三绝缘层上下表面对应设置有第三和第四导电材料阵列构成第二电容阵列，定子上的所有导电材料并联连接并且将上下两个面上的导电材料分别连接到两个电极上；
转子与定子之间具有第二绝缘层；
转子通过连轴器与驱动单元连接。
一种转盘式容栅发电装置，其包括上述转盘式容栅。
所述转盘式容栅发电装置还包括为进行初始充电的充电单元。
通过上述的技术方案，本发明具有以下优点：
复合电容结构能够捕获和收集持续微小活动动能并转化为电能，转换效率高，尺寸小；这样可在智能终端设备和植入医疗中用作子供电***。
复合电容结构采用了预先充电式起电，获得了很高的初始电量，能提供大电流。
复合电容结构的滑动表面设置为超润滑表面或非接触表面，相对移动过程中摩擦能耗小，提高了复合电容结构的电能转化效率高。
复合电容结构保证了低磨损，甚至没有磨损，提高了使用寿命。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是实施例1的空气复合电容发电装置的结构示意图。
图2是实施例2的超润滑复合电容发电装置的拉动过程中的结构示意图。
图3是实施例2的超润滑复合电容发电装置的充电过程示意图。
图4是实施例2的超润滑复合电容发电装置接入负载过程示意图。
图5是实施例2的超润滑复合电容发电装置的等效电路图。
图6是实施例2的超润滑复合电容发电装置宏观尺度算例模拟计算短路电流变化曲线图。
图7实施例2的超润滑复合电容发电装置宏观尺度算例模拟计在有外界负载下的输出电流变化曲线图。
图8是实施例2的超润滑复合电容发电装置宏观尺度算例模拟计算在有外界负载下的输出功率变化曲线图。
图9是实施例2的超润滑复合电容发电装置宏观尺度算例模拟计算在有外界负载下的外力功率变化曲线图。
图10是实施例2的超润滑复合电容发电装置微小尺度算例模拟计算短路电流变化曲线图。
图11是实施例2的超润滑复合电容发电装置微小尺度算例模拟计算在有外界负载下的输出电流变化曲线图。
图12是实施例2的超润滑复合电容发电装置微小尺度算例模拟计算在有外界负载下的输出功率变化曲线图。
图13是实施例2超润滑复合电容固定结构的示意图。
图14-17是实施例2超润滑复合电容滑动结构制备方法的示意图。
图18是实施例2超润滑复合电容结构示意图。
图19是实施例3中转盘式容栅发电装置转子结构示意图。
图20是实施例3中转盘式容栅发电装置定子结构示意图。
图21是实施例3中转盘式容栅发电装置的结构示意图。
具体实施方式
下面将参照附图更加详细地描述根据本发明的复合电容结构和发电装置的具体实施例子。
本发明提供一种复合电容结构，依次包括第一导电层、第一绝缘层、第二导电层、第二绝缘层、第三导电层、第三绝缘层以及第四导电层；其中，第一电容结构包含第一导电层、第一绝缘层和第二导电层；第二电容结构包含第二导电层、第二绝缘层和第三导电层；第三电容结构包含第三导电层、第三绝缘层以及第四导电层；第二电容结构中的第二导电层、第二绝缘层和/或第三导电层可以相对移动从而改变第二电容结构的电容。
所述导电层的材料没有特别的限制，可以是任意的导电材料。所述导电层包括具有导电性能的无机材料和/或有机材料，例如：金、银、铜、铁、铝及其合金等金属材料、导电碳材料、导电复合氧化物、导电陶瓷、导电聚合物等。所述导电层的厚度没有特别的限制，可以是任意合适的厚度。
所述绝缘层的材料没有特别的限制，可以是任意的绝缘材料。绝缘层材料可以为真空、气体、液体和/或固体材料，例如：真空、空气、氮气、稀有气体、矿物油、合成油、介电陶瓷、类金刚石材料等；优选空气，类金刚石材料。
绝缘层的厚度可以为任意厚度，只要保证导电层可以充入或感应出足够的电量即可。任一所述绝缘层的厚度优选0.5nm-100μm，更优选0.5nm-100nm；进一步的，第二绝缘层和第三绝缘层厚度优选0.5nm-100nm。所述第一绝缘层和第三绝缘层是用于使第一导电层和第四导电层感应产生电荷，因而所述绝缘层太厚会导致电容变小，从而使感应产生的电荷量过低，导致发电装置电流过小。
第二导电层和/或第三导电层在其与第二绝缘层接触的表面上优选形成保护层，更优选第二导电层和第三导电层在其与第二绝缘层接触的表面上均形成保护层。第二导电层，第二绝缘层和/或第三导电层可以相对移动，会产生磨损，在导电层上形成保护层减少磨损，延长发电装置的寿命，同时也确保发电装置的稳定性。保护层的材料没有特别的限制，可以是导电材料或绝缘材料，优选保护层为耐磨材料层，更优先地保护层为超润滑材料层。
本发明提供上述复合电容结构的制备方法，包括:
提供第一导电层，在第一导电层之上形成第一绝缘层，在第一绝缘层上形成第二导电层，从而得到第一电容结构；
提供第四导电层，在第四导电层之上形成第三绝缘层，在第三绝缘层上形成第三导电层，从而得到第三电容结构；
提供第二绝缘层；
将第一电容结构，第二绝缘层与第三电容结构复合得到复合电容结构。
导电层和绝缘层的形成方式采用现有技术，例如：气相沉积或磁控溅射。对于第一和第四导电层可以直接使用金属片或金属箔，也可以使用片状石墨电极。第一和第三绝缘层可以直接使用绝缘材料板材或片材，也可以使用印刷电路板(PCB)。
本发明提供一种超润滑复合电容结构，包括上述复合电容结构，其特征在于，第二导电层和/或第三导电层在其与第二绝缘层接触的表面上形成超润滑材料层，从而形成超润滑的表面。所述超润滑的表面是指与其他固体表面能实现直接接触，其滑移摩擦系数小于等于10-3数量级的表面。
超润滑材料层可以是导电的超润滑层或绝缘的超润滑层，能够使发生相对运动时与其接触的固体表面之间的滑移摩擦系数小于等于10-3数量级即可。利用超润滑的结构可以大幅提高发电装置的能量转化效率和使用寿命。所述超润滑材料包括二维材料；所述超润滑材料优选石墨、石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硒化钼、氟化石墨烯、二硫化钨、二硒化钨、铋、钼或云母等，最优选单层石墨烯。绝缘层材料为固体材料，例如：介电陶瓷，类金刚石材料、绝缘聚合物材料、绝缘涂料等，优选特氟龙、类金刚石材料。
本发明提供上述超润滑复合电容结构的制备方法，包括
提供第二导电层，在第二导电层之上形成第一绝缘层，在第一绝缘层上形成第一导电层；任选地在第二导电层上形成第一超润滑材料层，从而得到第一电容结构；
提供第三导电层，在第三导电层之上形成第三绝缘层，在第三绝缘层上形成第四导电层；任选地在第三导电层上形成第二超润滑材料层，从而得到第三电容结构；
提供第二绝缘层；
将第一电容结构，第二绝缘层与第三电容结构复合得到复合电容结构。
所述第一电容结构的制备方法为：在二维超润滑材料表面镀第二导电层，在第二导电层之上镀第一绝缘层，在第一绝缘层上镀第一导电层，对所得复合层状结构进行刻蚀，得到所需形状和尺寸的第一电容结构。
所述第三电容结构的制备方法为：在二维超润滑材料表面镀第三导电层，在第三导电层之上镀第三绝缘层，在第三绝缘层上镀第四导电层，对所得复合层状结构进行刻蚀，得到所需形状和尺寸的第三电容结构。
所述二维超润滑材料为石墨或石墨稀。
刻蚀后滑动所得电容结构，存在自回缩现象的电容结构即为所需具有润滑材料层的电容结构。
本发明提供一种电容式发电装置，其包括上述复合电容结构，分别连接第一导电层和第四导电层的输出单元，以及驱动第二电容结构中的第二导电层，第二绝缘层和/或第三导电层可以相对移动的驱动单元。
所述电容式发电装置还包括为第二电容结构进行初始充电的充电单元。所述充电单元仅在发电装置初始工作是为第二电容结构充电，充电完毕后即与复合电容结构断开。因此，本发明的电容式发电装置仅需进行初始充电，其后会通过电容的变化将动能不断转化为电能进行发电。
所述驱动单元的驱动方式可以是任何合适的驱动方式，只要能够使第二电容结构中的第二导电层，第二绝缘层和/或第三导电层相对移动即可，例如但不限于风力驱动、水利驱动、热驱动、噪音驱动或者人体运动驱动等即可以实现本发明的技术方案。
本发明提供一种转盘式容栅，其包含转子、定子、连轴器以及电刷，其中：
转子具有第一绝缘层402上下表面对应设置有第一和第二导电材料阵列401构成第一电容阵列，转子上的所有导电材料并联连接并且将上下两个面上的导电材料分别连接到转子中间的两个同心设置的导体圆环403，404上，所述导体圆环分别设有对应的电刷605，606；
定子具有第三绝缘层502上下表面对应设置有第三和第四导电材料阵列501构成第二电容阵列，定子上的所有导电材料并联连接并且将上下两个面上的导电材料分别连接到两个电极503上；
转子与定子之间具有第二绝缘层；
转子通过连轴器601与驱动单元602连接。
所述导电材料没有特别的限制，可以是任意的导电材料。所述导电材料包括具有导电性能的无机材料和/或有机材料，例如：金、银、铜、铁、铝及其合金等金属材料、导电碳材料、导电复合氧化物、导电陶瓷、导电聚合物等。所述导电材料的厚度没有特别的限制，可以是任意合适的厚度。
所述绝缘层的材料没有特别的限制，可以是任意的绝缘材料。绝缘层材料可以为真空、气体、液体和/或固体材料，例如：空气、氮气、稀有气体、矿物油、合成油、介电陶瓷、类金刚石材料等，优选空气、类金刚石材料。
绝缘层的厚度可以为任意厚度，只要保证导电层可以充入或感应出足够的电荷量即可。任一绝缘层的厚度优选0.5nm-50μm，更优选0.5nm-100nm，进一步的，第二绝缘层和第三绝缘层的厚度优选0.5nm-100nm。第一绝缘层和第三绝缘层是用于使第一导电层和第四导电层感应产生电荷，因此，绝缘层太厚会导致电容变小，从而使感应产生的电荷量过低，导致发电装置电流过小。
第二导电材料和/或第三导电材料在其与第二绝缘层接触的表面上优选形成保护层；更优选的，第二导电材料和第三导电材料在其与第二绝缘层接触的表面上均形成保护层。在导电材料上形成保护层可以保护导电材料不会磨损，从而延长发电装置的寿命，确保发电装置的稳定性。保护层的材料没有特别的限制，可以是导电材料也可以是绝缘材料，优选保护层为耐磨材料层，更优先地保护层为超润滑材料层。
所述驱动单元的驱动方式可以是任何合适的驱动方式，只要能够使转子相对定子转动即可，例如但不限于风力驱动、水利驱动、热驱动、噪音驱动、或者人体运动驱动等即可以实现本发明的技术方案。
本发明提供一种转盘式容栅发电装置，其包括上述转盘式容栅。
所述转盘式容栅发电装置还包括为进行初始充电的充电单元。
所述充电单元仅在发电装置初始工作是为转子下表面的第二导电材料阵列和定子上表面的第三导电材料阵列充电，充电完毕后即与转盘式容栅断开。因此，本发明的转盘式容栅电机仅需进行初始充电，其后会通过电容的变化将动能不断转化为电能进行发电。
其中连接定子下表面的电极和连接转子上表面的圆环构成一输出电源，转动后接上负载后即可以发电，通过控制器调节电机的转速，可以控制转子的转动速度，并且利用转速表测量出相应的转速，可以测量在不同转速下电流的输出情况；其中连接定子上表面的电极和连接转子下表面的圆环构成一充电电路，用于起始充电。
实施例1空气复合电容发电装置
如图1所示，第一步：固定结构的制造：在长度和宽度均为1μm-100μm的金属导体101上镀一层厚度为0.5nm-100nm的绝缘介质层102，然后在绝缘介质层102上镀一层金属层103，最后在金属层103上镀一层厚度为0.5-100nm的绝缘介质作为保护层104，构成固定结构部分。
第二步：用同样的方法制造一个相同的结构作为滑动结构。
第三步：将滑动结构放在固定结构上，同时通过支架结构使得两个绝缘保护层104、105之间有很小的空气层间隙。然后拉动滑动结构部分，即可实现发电。在拉动速度为0.1-10m/s的情况下，可以产生μA级的电流。
实施例2超润滑复合电容发电装置
利用导体滑块和绝缘层形成超润滑表面，通过导体滑块在超润滑表面的滑动来改变复合电容的结构，从而驱动电荷转移，在高转化效率下实现发电。具体来说如图2所示，其中201、203、205、207为导体滑块，202、204、206为绝缘层；导体滑块201、绝缘层202、导体滑块203之间无相对的运动；绝缘层204、导体滑块205、绝缘层206之间无相对运动；在导体滑块203与绝缘层204之间进行相对滑动，并且导体滑块203与绝缘层204之间为超润滑表面；在所述相对滑动的过程中认为几乎没有摩擦。假设拉动的距离为x，拉动的速度为v，导体的长为L，宽度为W，绝缘层的厚度为d，外界电阻为R。
初始时刻t＝0，此时导体滑块203，绝缘层204之间无相对滑动，x＝0；在导体滑块203，导体滑块205之间接入电动势为V的外接电源，使得导体滑块203和205之间带有电荷量Q，如图3所示，之后将所述外接电源断开，超润滑复合电容发电装置接上负载，如图4所示，由于电势差的存在会驱动电子的移动，经过一定时间后达到平衡；此时，各个表面的带电量如图4所示。之后，以恒定的速度v拉动导体滑块201、绝缘层202、导体滑块203。
假设t时刻拉动的距离为x，达到图2所示的状态，此时该复合电容结构的等效电路图如图5所示。
其中其中L为导体滑块的长度，W为导体滑块的宽度，外界的负载为R，由电路方程：
由电压方程：
由电流方程：
由电荷守恒：
q2-q1＝Q-------(3)
q2-q3＝Q-------(4)
令
则方程变为：
令则：
其通解为：
当R趋于0时，可以得到短路电流：
取一些具体的算例进行计算。算例一，考虑宏观尺度下的情况：
导体滑块的尺寸：L＝1mm，W＝20mm，绝缘层的厚度d＝10nm，滑动的速度1.5m/s，充电电压V＝10v，一共设有100个这样的结构，即n＝100，通过数值计算可以得到短路电流随z的变化曲线图如图6所示；对于接入负载R＝30Ω，通过数值计算可以得到输出电流随z的变化的曲线图如图7所示；输出功率随z的变化曲线图如图8所示。通过曲线关系图可以计算出平均短路电流ir＝0.0797A，在R＝30Ω的情况下平均输出电流Ir＝0.0793，平均输出功率Pr＝0.3445W；可见在这样结构下能够产生安培级别的电流，是同样尺寸下摩擦式纳米发电装置输出电流的100倍，尺寸却更小，其所需要的外力功率如图9所示，可以得到平均外力功率Pfr＝1.1397W，可见所需要的外力非常低，在超润滑表面即不考虑摩擦的情况下发电装置的转化效率可以非常的高，这种小尺寸的发电装置结构可以存通过晃动、转动、拉动等运动模式使其可将这些动能转化为电能进行供电。
算例二,考虑微纳尺度下的情况：
导体滑块的尺寸：为了使得纳米发电装置能够放置在微小的器件中，尽可能的减小导体块的尺寸，设置W＝100um，L＝10um，d＝10nm，v＝0.1m/s，一共有100个这样的结构，即n＝100，充电电压V＝10v，通过数值计算可以得到短路电流随z的变化曲线如图10所示；对于接入负载R＝30000Ω，通过数值计算可以得到输出电流随z的变化的曲线图如图11所示；输出功率随z的变化曲线图如图12所示；通过曲线关系图可以算出平均短路电流ir＝26.57uA，在R＝30000Ω的情况下平均输出电流Ir＝26.47uA，平均输出功率Pr＝32.70uW，可见在一个毫米级别的纳米发电装置能也能够产生uA级别的电流，这对于毫米级别的电子设备的供电已经完全足够，对于小型的纳米发电装置，可以通过挤压、晃动等方式来驱动导体滑块的运动。
对于宏观尺度和微纳尺度的超润滑复合电容发电装置，由于超润滑使得滑动表面之间的零磨损，因此这些器件的使用寿命相比于摩擦式发电装置以及传统磁感应式发电装置要长很多，可一直放在电子器件或者一些随身物品或者是植入到人体，不需要更换。
对于上述发电装置而言，转换效率为输出的电能比上输入的能量，这是衡量发电装置优劣的一个很重要的参数，对于本发明的模型，通过数值计算可以得到：转化效率与外界的负载有一定的关系，当外界负载调整到一个最优值，即参数效率有最大值为72.77％，可见超润滑复合电容发电装置能够达到很高的转化效率。
本实施例的具体实施方式如下：
第一步：固定结构的制造：如图13所示，在长度和宽度均为1μm-100μm的金属导体301上镀一层厚度为0.5nm-100nm的绝缘介质层302，然后在绝缘介质层302上镀一层金属层303，最后在金属层303上镀一层厚度为0.5-100nm的绝缘介质层304，构成固定结构部分。
第二步：如图14所示，在二维超滑材料308上镀一层导体金属层305，然后镀上一层厚度为0.5nm-100nm的绝缘材料层306，在其上方镀一层金属导体层307。
第三步：如图15所示，通过刻蚀技术在图14所示的结构上进行刻蚀，然后得到图16中300所示的突起结构，其长度与宽度均为1μm-100μm，然后将突起结构300取出，得到图17所示的单元，其中305、307为金属导体，306为厚度为0.5nm-100nm的绝缘层，308为附着在金属导体305上的超滑材料层，此即为滑动结构。
第四步：将图17所示的滑动结构放在图13所示的固定结构部分上，如图18所示，拉动滑动结构，采用理论模型提到的方法即可实现发电，其中超滑材料层308和绝缘材料层304之间为超润滑式滑动。
图18所示的结构即为理论模型实施的一个具体实例，在拉动速度为0.1-10m/s的拉动速度下能够产生μA级的电流。
实施例3转盘式容栅发电装置
本发明还具体的提供一种转盘式的容栅和电机来实现发电，其有转子、定子、电机、联轴器以及碳刷等结构组成，其中转子的顶视图如图19所示，定子的顶视图如图20所示，图19中401为转子中的导体块阵列结构，上下两面各有一块金属导体块，中间用绝缘层402(PCP板)隔开，之后将这些导体块全部并联连接起来，然后将所述导体块的上、下两面分别连接到中间的两个金属导体圆环403和404上，即将导体块表面的电信号导入到所述金属导体圆环上；图20中501为定子中的导体块阵列结构，上下两面各有一块金属导体块，中间用绝缘层502(PCP板)隔开，之后将这些导体块全部并联起来，然后将导体块的上、下两面分别连接到503所示的两个电极上，通过电极把上下两块导体块的电信号输出出来。
图21为发电装置的整体结构，其中500为定子其固定在一个台座上，400为转子，其通过联轴器601和轴承与电机602连接，使得电机驱动其转动，并且保持和定子有一个空气层的距离，用603、604所示的支柱来支撑定子500，使用两个碳刷605和606分别保持和转子400中的导体圆环接触403和404，持续输出导体表面的电信号，分别与定子500中两个电极503构成两组电路，其中连接定子500下表面的电极和连接转子400上表面的导体圆环403构成一输出电源，转动后接上负载后即可以发电，通过控制器调节电机的转速，可以控制转子400的转动速度，并且利用转速表测量出相应的转速，可以测量在不同转速下电流的输出情况；其中连接定子500上表面的电极和连接转子400下表面的导体圆环404构成一充电电路，用于起始充电。
需要指出的是本实施例使用电机602作为驱动单元仅是为了实验的方便，可以在实验室简单容易地获得驱动力。而本发明所述转盘式容栅发电装置并不必须使用电力驱动。其驱动方式可以是任何现有技术中的非电力的驱动方式，只要能够使转子转动即可，例如风力驱动、水利驱动、热驱动、噪声驱动、或者人体运动驱动即可以实现本发明的技术方案。
最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (42)
1.一种复合电容结构，依次包括第一导电层、第一绝缘层、第二导电层、第二绝缘层、第三导电层、第三绝缘层以及第四导电层；其中第一电容结构包含所述第一导电层、所述第一绝缘层和所述第二导电层；第二电容结构包含所述第二导电层、所述第二绝缘层和所述第三导电层；第三电容结构包含所述第三导电层、所述第三绝缘层以及所述第四导电层；其特征在于：所述第二电容结构中的所述第二导电层、所述第二绝缘层和/或所述第三导电层可以相对移动从而改变所述第二电容结构的电容。
2.如权利要求1所述复合电容结构，其特征在于：所述导电层包括具有导电性能的无机材料和/或有机材料。
3.如权利要求1所述复合电容结构，其特征在于：所述导电层包括金属材料、导电碳材料、导电复合氧化物、导电陶瓷、导电聚合物或其组合。
4.如权利要求1所述复合电容结构，其特征在于：所述导电层包括石墨、金、银、铜、铁、铝或合金材料。
5.如权利要求1所述复合电容结构，其特征在于：所述绝缘层材料包括真空、气体、液体和/或固体材料。
6.如权利要求1所述复合电容结构，其特征在于：所述绝缘层材料包括真空、空气、氮气、稀有气体、矿物油、合成油、介电陶瓷、类金刚石材料。
7.如权利要求6所述复合电容结构，其特征在于：所述绝缘层材料包括空气、类金刚石材料。
8.如权利要求1所述复合电容结构，其特征在于：任一所述绝缘层的厚度为0.5nm-50μm。
9.如权利要求1所述复合电容结构，其特征在于：任一所述绝缘层的厚度为0.5nm-100nm。
10.如权利要求1所述复合电容结构，其特征在于：所述第二导电层和/或所述第三导电层在其与所述第二绝缘层接触的表面上形成保护层。
11.如权利要求10所述复合电容结构，其特征在于：所述第二导电层和所述第三导电层在其与所述第二绝缘层接触的表面上均形成保护层。
12.如权利要求1-11任一项所述复合电容结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供所述第一导电层，在所述第一导电层之上形成所述第一绝缘层，在所述第一绝缘层上形成所述第二导电层，从而得到所述第一电容结构；
提供所述第四导电层，在所述第四导电层之上形成所述第三绝缘层，在所述第三绝缘层上形成所述第三导电层，从而得到所述第三电容结构；
提供所述第二绝缘层；
将所述第一电容结构，所述第二绝缘层与所述第三电容结构复合得到复合电容结构。
13.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于：所述第二导电层和/或所述第三导电层在其与所述第二绝缘层接触的表面上形成保护层。
14.如权利要求13所述制备方法，其特征在于：所述第二导电层和所述第三导电层在其与所述第二绝缘层接触的表面上均形成保护层。
15.一种超润滑复合电容结构，其特征在于：包括如权利要求1-11任一所述复合电容结构，所述第二导电层和/或所述第三导电层在其与所述第二绝缘层接触的表面上设置超润滑材料层，从而形成超润滑的表面。
16.如权利要求15所述超润滑复合电容结构，其特征在于：所述超润滑材料包括二维材料。
17.如权利要求15所述超润滑复合电容结构，其特征在于：所述超润滑材料包括石墨、石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硒化钼、氟化石墨烯、二硫化钨、二硒化钨、铋、钼或云母。
18.如权利要求15所述超润滑复合电容结构，其特征在于：所述超润滑材料为单层石墨烯。
19.如权利要求15所述超润滑复合电容结构，其特征在于：所述绝缘层材料包括固体材料。
20.如权利要求15所述超润滑复合电容结构，其特征在于：所述绝缘层材料包括介电陶瓷、绝缘聚合物材料或绝缘涂料。
21.如权利要求15所述超润滑复合电容结构，其特征在于：所述绝缘层材料包括特氟龙。
22.如权利要求15所述超润滑复合电容结构，其特征在于：所述绝缘层材料包括类金刚石材料。
23.如权利要求15-22任一项所述超润滑复合电容结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供所述第二导电层，在所述第二导电层之上形成所述第一绝缘层，在所述第一绝缘层上形成所述第一导电层，任选地在所述第二导电层上形成第一超润滑材料层，从而得到所述第一电容结构；
提供所述第三导电层，在所述第三导电层之上形成所述第三绝缘层，在所述第三绝缘层上形成所述第四导电层，从而得到所述第三电容结构；
提供所述第二绝缘层；
将所述第一电容结构，所述第二绝缘层与所述第三电容结构复合得到复合电容结构。
24.如权利要求23所述的制备方法，其特征在于，所述第一电容结构的制备方法为：在二维超润滑材料表面镀所述第二导电层，在所述第二导电层之上镀所述第一绝缘层，在所述第一绝缘层上镀所述第一导电层，对所得复合层状结构进行刻蚀，得到所需形状和尺寸的所述第一电容结构。
25.如权利要求24所述的制备方法，其特征在于，所述第三电容结构的制备方法为：在二维超润滑材料表面镀所述第三导电层，在所述第三导电层之上镀所述第三绝缘层，在所述第三绝缘层上镀所述第四导电层，对所得复合层状结构进行刻蚀，得到所需形状和尺寸的所述第三电容结构。
26.如权利要求24-25任一项所述的制备方法，其特征在于：所述二维超润滑材料为石墨或石墨烯。
27.如权利要求24-26任一项所述的制备方法，其特征在于：还包括刻蚀后滑动所得电容结构，存在自回缩现象的电容结构即为所需具有润滑材料层的电容结构。
28.如权利要求15-22任一项所述超润滑复合电容结构的制备方法，其特征在于，包括：
提供所述第二导电层，在所述第二导电层之上形成所述第一绝缘层，在所述第一绝缘层上形成所述第一导电层，任选地在所述第二导电层上形成第一超润滑材料层，从而得到所述第一电容结构；
提供所述第三导电层，在所述第三导电层之上形成所述第三绝缘层，在所述第三绝缘层上形成所述第四导电层，在所述第三导电层上形成第二超润滑材料层，从而得到所述第三电容结构；
提供所述第二绝缘层；
将所述第一电容结构，所述第二绝缘层与所述第三电容结构复合得到复合电容结构。
29.一种电容式发电装置，其包括如权利要求1-11，15-22任一项所述复合电容结构或如权利要求12-14，23-28任一项所述制备方法制备得到的复合电容结构，其特征在于，包括：分别连接所述第一导电层和所述第四导电层的输出单元，以及驱动所述第二电容结构中的所述第二导电层、所述第二绝缘层和/或所述第三导电层可以相对移动的驱动单元。
30.如权利要求29所述电容式发电装置，其特征在于：还包括为所述第二电容结构进行初始充电的充电单元。
31.一种转盘式容栅，包含转子、定子、连轴器以及电刷，其特征在于，其中：
转子具有第一绝缘层(402)上下表面对应设置有第一和第二导电材料阵列(401)构成第一电容阵列，转子上的所有导电材料并联连接并且将上下两个面上的导电材料分别连接到转子中间的两个同心设置的导体圆环(403，404)上，所述导体圆环分别设有对应的电刷(605，606)；
定子具有第三绝缘层(502)上下表面对应设置有第三和第四导电材料阵列(501)构成第二电容阵列，定子上的所有导电材料并联连接并且将上下两个面上的导电材料分别连接到两个电极(503)上；
转子与定子之间具有第二绝缘层；
转子通过所述连轴器(601)与驱动单元(602)连接。
32.如权利要求31所述转盘式容栅，其特征在于：所述导电材料包括具有导电性能的无机材料和/或有机材料。
33.如权利要求31所述转盘式容栅，其特征在于：所述导电材料包括金属材料、导电碳材料、导电复合氧化物、导电陶瓷、导电聚合物或其组合。
34.如权利要求31所述转盘式容栅，其特征在于：所述导电材料包括石墨、金、银、铜、铁、铝或合金材料。
35.如权利要求31所述转盘式容栅，其特征在于：所述绝缘层材料包括真空、气体、液体和/或固体材料。
36.如权利要求31所述转盘式容栅，其特征在于：所述绝缘层材料包括真空、空气、氮气、稀有气体、矿物油、合成油、介电陶瓷、类金刚石材料。
37.如权利要求31所述转盘式容栅，其特征在于：任一所述绝缘层的厚度为0.5nm-50μm。
38.如权利要求37所述转盘式容栅，其特征在于：任一所述绝缘层的厚度为0.5nm-100nm。
39.如权利要求31所述转盘式容栅，其特征在于：所述第二导电材料阵列和/或所述第三导电材料阵列在其与所述第二绝缘层接触的表面上形成保护层。
40.如权利要求39所述转盘式容栅，其特征在于：所述第二导电材料阵列和所述第三导电材料阵列在其与所述第二绝缘层接触的表面上均形成保护层。
41.一种转盘式容栅发电装置，其包括如权利要求31-40任一项所述转盘式容栅。
42.如权利要求41所述转盘式容栅发电装置，其特征在于：还包括为进行初始充电的充电单元。
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