CN109149992A - 改进型摩擦纳米发电机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及发电机领域，公开了一种改进型的摩擦纳米发电机，其包括：第一发电部件和第二发电部件，其中所述第一发电部件包括：第一摩擦层；以及第一铁电层；其中，所述第一摩擦层置于所述第一铁电层的表面；所述第二发电部件包括第二电极；所述第二电极用于所述第二发电部件和所述第一摩擦层相互摩擦时，输出电能。本发明通过引入铁电层材料的内置介质极化，提高了摩擦层的摩擦电荷密度，能够获得更高功率密度的发电机输出。

Description

改进型摩擦纳米发电机

技术领域

本发明涉及一种发电机，具体地涉及一种将机械能转变为电能的改进型摩擦纳米发电机。

背景技术

由于能源危机和环境压力，人们一直致力于研究维持现代社会的巨大能源消耗的同时最小化环境的消耗。从可再生的自然环境中收集能量是一种缓解能源危机的有效方案。2012年王中林院士发明的用于收集环境中普遍存在却常常被浪费掉的机械能的摩擦纳米发电机(TENG)，已经被证实是一个具有深远意义的解决方案。之前关于摩擦纳米发电机的研究工作已经证实了它潜在的广泛应用，从驱动小型电子器件实现自驱动的***到收集低频的海浪能作为新型的“蓝色能源”。

作为一个能量收集器件，摩擦纳米发电机的商业化应用强烈的依赖与它的功率密度，其和表面摩擦电荷密度成二次方关系。因此，人们一直以来致力于通过摩擦材料选择、结构优化和表面修饰和改性等方法来提高摩擦电荷的数量。从早期通过具有高电子亲和力的聚四氟乙烯(PTFE)直接与易失去电子的金属摩擦所得的30μCm^-2的摩擦电量密度，逐渐提升到通过单分子层技术用半胱胺盐酸盐修饰金电极表面所得的140μCm^-2。但目前的改进技术通常是对介质材料或者摩擦电极进行改性，鲜有采用复合材料的改进方法报道，并且对摩擦电荷密度的提升幅度有限。

发明内容

本发明的目的是为了克服现有技术存在的摩擦电荷密度低和电机输出功率低的问题，提供一种将机械能转化为电能的改进型摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机具有更高表面摩擦电荷密度，以获得更高功率密度的效果。

为了实现上述目的，本发明提供一种改进型摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括第一发电部件和第二发电部件，其中

所述第一发电部件包括：第一摩擦层；以及第一铁电层；其中，所述第一摩擦层置于所述第一铁电层的表面；

所述第二发电部件包括第二电极；

所述第二电极用于所述第二发电部件和所述第一摩擦层相互摩擦时，输出电能。

优选的，所述第一发电部件还包括：

第一电极，用于和所述第二电极电连接；

所述第一摩擦层置于所述第一铁电层的上表面，所述第一电极置于所述第一铁电层的下表面。

优选的，所述第二发电部件为第二电极，所述相互摩擦为所述第二电极与所述第一摩擦层相互摩擦。

优选的，所述第二发电部件还包括第二摩擦层，其中，所述第二摩擦层设置于所述第二电极表面，所述相互摩擦为所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相互摩擦。

优选的，所述第二发电部件还包括第二摩擦层和第二铁电层，所述第二摩擦层置于所述第二铁电层的下表面，所述第二电极置于所述第二铁电层的上表面，所述相互摩擦为所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相互摩擦。

优选的，所述第二发电部件包括第二电极和第三电极，其中

所述相互摩擦为所述第一摩擦层依次与所述第二电极和第三电极相互摩擦；

在所述第二电极与第三电极之间产生电信号。

优选的，所述第二电极连接至地或者等电位。

优选的，所述第二发电部件为第二电极，所述相互摩擦为所述第二电极与所述第一摩擦层相互摩擦。

优选的，所述第二发电部件还包括第二摩擦层和第二铁电层，所述第二摩擦层置于所述第二铁电层的下表面，所述第二电极置于所述第二铁电层的上表面，所述相互摩擦为所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相互摩擦。

优选的，所述铁电层的材料为陶瓷铁电材料或聚合物铁电材料。

优选的，所述陶瓷铁电材料为钛酸锶钡或钛酸铅、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸铅或锆钛酸铅，或者掺杂改性后的前述铁电材料；

或者，所述聚合物铁电材料为聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯共聚物，或聚合物与铁电材料的复合物。

优选的，所述铁电层的厚度范围为10μm-2mm。

优选的，所述发电部件的摩擦层为介质层。

优选的，所述介质层的介电材料为聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、全氟乙烯丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。

优选的，所述相互摩擦为两个所述发电部件互相接触摩擦后分离；

或者为两个所述发电部件互相接触滑动产生摩擦；

或者为两个所述发电部件互相靠近和远离。

优选的，所述摩擦纳米发电机还包括：

密封结构，用于在所述第一发电部件和第二发电部件相互摩擦的表面之间提供真空。

优选的，所述真空的真空度范围为10^-2—10^-7托。

与现有的摩擦纳米发电机相比，本发明提供的改进型摩擦纳米发电机的优点在于：

由于铁电层与摩擦层的设置，使置于电场中的铁电材料仍会有剩余的电介质极化，当在摩擦层材料表面通过摩擦适当地进行表面极化，剩余极化就能够增强摩擦层捕捉电荷的能力。本发明通过引入铁电层材料的内置介质极化，提高了摩擦层的摩擦电荷密度，能够获得更高功率密度的发电机输出。

本实施例采用铁电材料与介电材料(即铁电层与摩擦层)的双层复合结构，以介电材料作为摩擦层、以铁电材料的剩余极化提高介电材料的表面电荷密度。本发明获得的摩擦电荷密度高于单独用介电材料或单独用铁电材料作为摩擦层，进而可以提高摩擦纳米发电机的输出功率。特别是，在真空条件下，可以获得高达1003μCm^-2的摩擦电荷密度，远高于现在报道的介质材料PTFE击穿的极限值。

另外，相对于现有技术中在摩擦层表面制备纳米结构或材料的表面修饰等方法提供摩擦纳米发电机的性能，本发明的摩擦纳米发电机还具有容易实现和容易规模化应用的优势。

本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：

图1和图2是本发明实施例一的摩擦纳米发电机的结构示意图；

图3示出根据实施例一的摩擦纳米发电机的工作原理；

图4示出根据一个摩擦纳米发电机在大气和真空时的电荷密度；

图5和图6是本发明实施例二的摩擦纳米发电机的结构示意图；以及

图7是本发明实施例三的摩擦纳米发电机的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。用于描述器件结构时所述的上、下等方位，仅用于显示器件各部分的相对位置，更好的理解器件的结构，不用于对器件结构的限制。

本发明提供的摩擦纳米发电机包括第一发电部件和第二发电部件，用于互相摩擦或接触分离以产生电能。

现有的所有的结构的摩擦纳米发电机中，只要涉及的发电是在两个能够互相接触分离或者互相滑动摩擦产生电信号的发电机结构，均适用于本发明的摩擦纳米发电机，包括滑动式摩擦纳米发电机、接触-分离式摩擦纳米发电机、单电极式摩擦纳米发电机、感应式摩擦纳米发电机等。本发明与现有摩擦纳米发电机的区别是，首次提出在产生互相摩擦的两个表面中，将摩擦层与铁电层互相结合，由于铁电材料中剩余的电介质极化，在两个摩擦层(或者摩擦层与电极层)相互滑动摩擦或者接触分离摩擦时，能够显著提高摩擦电荷密度。

下面结合附图具体介绍本发明提供的增强型摩擦纳米发电机以及发电方法。

实施例一

本实施例提供的摩擦纳米发电机的一种典型结构参见图1，包括第一发电部件A和第二发电部件B，其中，第一发电部件A包括第一摩擦层a1、第一铁电层a2和第一电极层a3，其中，第一摩擦层a1置于第一铁电层a2的上表面，第一电极a3置于第一铁电层的下表面；第二发电部件B包括第二摩擦层b1第二铁电层b2和第二电极层b3，其中，第二摩擦层b1置于第二铁电层b2的下表面，第二电极b3置于第二铁电层b2的上表面。第二电极b3用于第二发电部件B与第一发电部件A的第一摩擦层a1相互摩擦时，以输出电能。图1中，第二电极b3可以与第一发电部件A的第一电极a3连接，第二部件B和第一部件A的第一摩擦层a1相互摩擦时，在第一电极和第二电极上产生静电势，在第一电极和第二电极之间产生电信号。在第一发电部件A相对于第二发电部件B往复运动过程中，可以在第一电极a3与第二电极b3之间产生交流的电信号输出，实现将机械能转变为电能。

优选的，第一或第二发电部件中，电极、铁电层和摩擦层均可以为薄层结构，互相层叠固定在一起，第一发电部件和第二发电部件各自作为整体相对运动。

对于摩擦纳米发电机中，需要第一摩擦层与第二摩擦层互相接触的表面的材料具有摩擦电极序差异，即表面得失电子能力差异，在互相接触分离后，两个摩擦层表面带有等量的异种电荷。优选的，第一摩擦层和第二摩擦层的材料均为介质材料，所述的介质材料可以为有机物绝缘体材料，例如全氟乙烯丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷等。两个摩擦层的厚度范围可以为1μm-1mm。

第一铁电层、第二铁电层采用铁电材料，可以采用陶瓷铁电材料，比如钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸铅或锆钛酸铅等，或者掺杂改性后的前述铁电材料；也可以采用聚合物铁电材料，比如聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯共聚物，或聚合物与铁电材料的复合物等。

第一铁电层、第二铁电层的厚度范围可以为10μm-2mm。这样的厚度能对摩擦层给予一定的机械强度，同时也不会因太厚而影响到电荷感应。

第一电极和第二电极的材料可以为任意的导电材料，如金属、氧化物导体或者有机物导体。

本实施例中，图1所示的结构中，第二部件B和第一部件A的第一摩擦层a1相互摩擦，具体为第二摩擦层b1与第一摩擦层a1的相互摩擦。

由于导体材料与摩擦层的介质材料具有不同的摩擦电极序，因此，相互摩擦时也可以产生表面电荷。参见图2，第二发电部件可以仅包括第二电极层b3，通过第二电极b3与第一摩擦层a1相互摩擦，在第一电极a3与第二电极b3之间产生电信号输出。

需要说明的是本发明中提到的两个发电部件的相互摩擦，并不局限在滑动摩擦，参见图1中箭头所示，可以为两个发电部件互相接触摩擦后分离，也可以为两个发电部件互相接触滑动产生摩擦，还可以为两个发电部件互相靠近和远离。

由于置于电场中的铁电层仍会有剩余的电介质极化，当在摩擦过程中使摩擦层表面适当地进行表面极化后，与摩擦层层叠设置的铁电层的剩余极化就能够增强其捕捉电荷的能力。为了提高摩擦层的摩擦电荷密度，本实施例通过引入铁电层的内置介质极化来实现表面和电介质的极化耦合来提高摩擦纳米发电机的性能。

本实施例中摩擦纳米发电机的其工作原理如图3所示。摩擦纳米发电机的第二发电部件由Cu电极11组成，第一发电机部件包括粘附于铁电层31上表面的PTFE层21(第一摩擦层)和粘附于铁电层31下表面的第一电极Cu电极12，Cu电极11和Cu电极12之间电连接。当Cu电极11与PTFE层21相接触时，将会在它们的表面产生等量的异种电荷(如图3i所示)。Cu电极11和PTFE层21分离，PTFE层21表面电荷的感应势，或者表面的极化，将会导致在铁电层31的电介质极化，在短路条件下，由此而产生的表面极化也会驱动正电荷从Cu电极11迁移到Cu电极12上(如图3ii所示)，在负载41上产生电流，直到第一发电部件与第二发电部件的距离达到最大达到一个平衡(如图3iii所示)，此时无电流。当Cu电极11再次接近PTFE层21时，减弱的表面极化将会使Cu电极12上的正电荷迁移到Cu电极11(如图3iv所示)，在负载41上产生相反的电流，直到Cu电极11和PTFE层21相接触为止(如图3v所示)。

由于介质滞后，在铁电材料中的极化将不会完全消除，残余的内置介质极化将会起到负电荷陷阱的作用，进而增强了PTFE在接触起电中捕捉电荷的能力。换句话说，来自摩擦起电的表面极化将会诱导内置的铁电层材料的极化，同时后者在随后的接触起电过程中将会增强前者直到达到平衡。表面和电介质的极化耦合将会大大增强摩擦纳米发电机工作过程产生的摩擦电荷的总量。

采用图2结构的一个具体的摩擦纳米发电机中，铁电层材料采用钛酸钡陶瓷(BT)，第一摩擦层介电材料采用聚四氟乙烯(PTFE)作为摩擦层，两种材料都为直径为1cm的圆片，BT的上表面粘贴PTFE，下表面粘贴金属第一电极Cu，然后固定在衬底上。其中BT厚度为0.5mm，PTFE厚度为0.2mm。与固定在另一衬底上的金属Cu(第二电极)与PTFE通过接触-分离方式摩擦起电，在大气环境下测试结果显示(图4中左侧曲线)，输出电荷密度达到142μCm^-2，不仅高于分别用PFTE和BT与铜电极摩擦所得的电荷密度120μCm^-2和15μCm^-2，而且高于后两者的总和，充分体现出了本实施例中两种材料的协同效应。

另外，142μCm^-2的电荷密度接近厚度为0.2mm的PTFE膜作为摩擦层的在空气中的理论极限值。通过雪崩击穿理论可以计算得到，当该PTFE膜的表面电荷密度达到143μCm^-2时，将发生空气击穿，导致表面电荷密度被钳制。

为了进一步提高本实施例中摩擦纳米发电机的输出性能，本实施例的摩擦纳米发电机还可以包括密封结构，该密封结构用于在第一发电部件A和第二发电部件B相互摩擦或者接触分离的表面之间提供真空。通过将第一发电部件A和第二发电部件B相互摩擦的表面之间设置为真空，可以提供第一摩擦层与第二摩擦层(或者第二电极)在真空中摩擦时，真空的真空度范围可以为10^-2—10^-7托，特别是当真空度达到10^-6torr以上时，可以有效避免空气击穿。实验证实，其摩擦电荷密度达到1003μCm^-2(如图4中右侧曲线所示)，远大于在大气中的电荷密度(142μCm^-2)。

本实施例中不对密封结构做特别的限定，可以为任意结构的可以提供真空的结构，例如将第一发电部件和第二发电部件完全包裹的密封结构。上述真空可通过真空箱和抽真空泵实现。

实施例二：

实施例一中第二发电部件的第二电极b3与第一发电部件的第一电极a3电连接，这样的结构中两个电极随着外力作用互相移动，不利于器件的使用。

本实施例中，发电机的典型结构参见图5，包括第一发电部件A和第二发电部件，其中，第一发电部件A包括第一摩擦层a1和第一铁电层a2，其中，第一摩擦层a1置于第一铁电层a2的上表面；第二发电部件包括第二电极层b3。第二电极b3用于第二电极与第一发电部件A的第一摩擦层a1相互摩擦时，输出电能。

本实施例中，第二电极b3可以连接至地或者等电位，也可以连接至其他导体。

参见图6，在其他实施方式中，还可以包括第二摩擦层b1，第二摩擦层b1设置于第二电极b3下表面，第二发电部件与第一摩擦层之间相互摩擦为第一摩擦层a1与第二摩擦层b1相互摩擦。

本实施例的摩擦纳米发电机中，第一发电部件和第二发电部件中的各层的材料与结构可以与实施例一中的相同。同样，也可以在真空条件下进行发电，以提高电荷密度。在这里不进行复述。

本实施例的摩擦纳米发动机的发电原理与实施例一类似，在这里不重复描述。

实施例三：

本实施例中，摩擦纳米发电机的典型结构参见图7，包括第一发电部件和第二发电部件，其中，第一发电部件包括第一摩擦层a1和第一铁电层a2，其中，第一摩擦层a1置于第一铁电层a2的表面；第二发电部件包括第二电极层b3和第三电极b4。第二电极b3与第三电极电连接，第二发电部件与第一摩擦层之间相互摩擦为第一摩擦层a1依次与第二电极b3和第三电极b4相互摩擦，在第一发电部件与第二发电部件相互摩擦过程中，由于静电感应，电荷在第二电极和第三电极之间流动，产生电信号。

本实施例的摩擦纳米发电机中，第一发电部件和第二发电部件中的各层的材料与结构可以与实施例一中的相同。其中，第三电极可以与第一电极或者第二电极的材料相同。同样，也可以在真空条件下进行发电，以提高电荷密度。在这里不进行复述。

本实施例的摩擦纳米发动机的发电原理与实施例一类似，在这里不重复描述。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个具体技术特征以任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。但这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (17)

1.一种改进型摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机包括第一发电部件和第二发电部件，其中

所述第一发电部件包括：第一摩擦层；以及第一铁电层；其中，所述第一摩擦层置于所述第一铁电层的表面；

所述第二发电部件包括第二电极；

所述第二电极用于所述第二发电部件和所述第一摩擦层相互摩擦时，输出电能。

2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一发电部件还包括：

第一电极，用于和所述第二电极电连接；

所述第一摩擦层置于所述第一铁电层的上表面，所述第一电极置于所述第一铁电层的下表面。

3.根据权利要求1或2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二发电部件为第二电极，所述相互摩擦为所述第二电极与所述第一摩擦层相互摩擦。

4.根据权利要求1或2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二发电部件还包括第二摩擦层，其中，所述第二摩擦层设置于所述第二电极表面，所述相互摩擦为所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相互摩擦。

5.根据权利要求1或2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二发电部件还包括第二摩擦层和第二铁电层，所述第二摩擦层置于所述第二铁电层的下表面，所述第二电极置于所述第二铁电层的上表面，所述相互摩擦为所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相互摩擦。

6.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二发电部件包括第二电极和第三电极，其中

所述相互摩擦为所述第一摩擦层依次与所述第二电极和第三电极相互摩擦；

在所述第二电极与第三电极之间产生电信号。

7.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二电极连接至地或者等电位。

8.根据权利要求7所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二发电部件为第二电极，所述相互摩擦为所述第二电极与所述第一摩擦层相互摩擦。

9.根据权利要求7所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第二发电部件还包括第二摩擦层和第二铁电层，所述第二摩擦层置于所述第二铁电层的下表面，所述第二电极置于所述第二铁电层的上表面，所述相互摩擦为所述第一摩擦层与所述第二摩擦层相互摩擦。

10.根据权利要求1-9任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述铁电层的材料为陶瓷铁电材料或聚合物铁电材料。

11.根据权利要求10所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述陶瓷铁电材料为钛酸锶钡或钛酸铅、钛酸锶、钛酸锶钡、钛酸铅或锆钛酸铅，或者掺杂改性后的前述铁电材料；

或者，所述聚合物铁电材料为聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯共聚物，或聚合物与铁电材料的复合物。

12.根据权利要求1-11任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述铁电层的厚度范围为10μm-2mm。

13.根据权利要求1-12任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述发电部件的摩擦层为介质层。

14.根据权利要求13所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述介质层的介电材料为聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、全氟乙烯丙烯共聚物、聚三氟乙烯、聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。

15.根据权利要求1-10任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述相互摩擦为两个所述发电部件互相接触摩擦后分离；

或者为两个所述发电部件互相接触滑动产生摩擦；

或者为两个所述发电部件互相靠近和远离。

16.根据权利要求1-15任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机还包括：

密封结构，用于在所述第一发电部件和第二发电部件相互摩擦的表面之间提供真空。

17.根据权利要求16所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述真空的真空度范围为10^-2—10^-7托。