CN112134484B - 一种利用摩擦材料形变的接触分离式摩擦纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种利用摩擦材料形变的接触分离式摩擦纳米发电机，包括支架，分别固定于支架两端的正极摩擦单元和负极摩擦单元，及位于正、负极摩擦单元之间的多个正、负极形变结构；各摩擦单元均分别包括充液腔、填充于充液腔内的导电流体以及由充液腔内引出的电极；在正、负极摩擦单元的充液腔之间形成一空间，多个正、负极形变结构交错设置于该空间内，且各正、负极形变结构的一端分别与正、负极充液腔连通，另一端为自由端；当正、负极摩擦单元的充液腔在外力作用下产生形变时通过其内导电流体的流动分别改变各正、负极形变结构的形状使得相应的正、负极形变结构彼此接触、发生电荷转移。本发明显著增大了摩擦层间的接触面积，以提高输出功率。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用弹性摩擦材料形变的接触分离式摩擦纳米发电机，尤其涉及利用弹性摩擦材料受外力作用产生的形变以增大摩擦材料间接触面积，实现高效的电能输出。
背景技术
随着微电子技术、5G技术和材料科学的高速发展，大量先进的分布式传感器开始进入人们的视野，为包括工业、交通、运输、医疗在内的诸多行业带来巨大变革的同时，也让我们的生活焕然一新。分布式传感器通常分散布置，并且需要长时间持续工作。传统的分布式传感器常采用电池供电。然而，电池存储的能量较为有限，无法支撑分布式传感器进行长时间工作；此外，电池相对较大的体积也限制了分布式传感器的小型化；同时，电池需要充电的问题也使相关设备的使用存在诸多不便。因此，如何为分布式传感器进行持续供能成为了困扰许多研究人员的问题。
在各种分布式传感器的供能方式中，用接触分离式摩擦纳米发电机(TENG)进行供电具有显著的优势。首先，接触分离式摩擦纳米发电机可以高效地收集自然中的低频机械能，并为使用中的设备稳定持续供电；其次，接触分离式摩擦纳米发电机结构简单，制造成本较低，利于大规模生产；最后，摩擦纳米发电机易于封装，使用便捷，本身在一定程度上就能起到传感器的作用，反映压力信号。然而，现有接触分离式摩擦纳米发电机的能量收集效率依然较低，有进一步提高的空间。因此，探索一种高效的接触分离式摩擦纳米发电机具有重大的应用价值和实际意义。
在现有的接触分离式摩擦纳米发电机中，普遍采用的是外力直接驱动摩擦层接触分离的结构。摩擦层常为一平面，摩擦层间的接触常为二维平面接触。由于传统摩擦纳米发电机摩擦层的这一结构，现有接触分离式摩擦纳米发电机的摩擦层间接触面积较小，空间利用率较低，输出功率有限。为了提高输出功率，现有的高效接触分离式摩擦纳米发电机常对摩擦层进行表面修饰。然而，这类高效接触分离式摩擦纳米发电机不仅制造困难，在长期使用过程中的性能下降也十分显著。
在柔性机器人/机械手领域中，目前已有多种通过向形变结构填充流体控制部件姿态的方案。然而，这些方案主要是利用形变结构的微小形变产生弯曲和/或扭转，以实现抓握i、夹取或蠕动等动作，。此外这些方案中所填充的流体主要起到控制相关部件的作用，功能较为单一。
在家居领域中，已存在一些通过填充流体进行姿态调节的产品。然而，相关产品的姿态调节功能仅能在一定程度上提升用户的舒适度，缺乏便捷布置或自身充当传感器，进而向智能家居领域进行拓展的潜力。同时在已有的摩擦纳米发电机中，也并没有采用类似结构的产品。
发明内容
为克服已有技术的不足，本发明提出一种利用弹性摩擦层在外力作用下产生的形变实现摩擦层间的接触分离，将普通接触分离式摩擦纳米发电机摩擦层间的二维平面接触转换为弹性摩擦层形变后的三维空间接触，显著增大了摩擦层间的接触面积，以此提高接触分离式摩擦纳米发电机的输出功率。此外，基于摩擦材料形变增大接触面积的高效接触分离式摩擦纳米发电机可以兼容大部分现有的表面修饰技术，有进一步提高输出功率的潜力。另外，本发明通过导电流体传递形变和压强，保证了摩擦层上各处正压力大小的一致性，提高电荷转移效果。导电流体在本发明中兼做流体电极，简化了结构和生产工艺。同时，本发明中正、负极形变结构和充液腔分别使用同种材料成型，通过优化结构设计以满足力学性能要求，易于批量制造。最后，利用导电流体传递形变能容易地利用较大的受力面积收集微小形变，拓展了接触分离式摩擦纳米发电机的应用场景。这一技术为摩擦纳米发电机的批量生产和广泛应用提供了一条可行的道路。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
本发明提出的一种利用摩擦材料形变的接触分离式摩擦纳米发电机，其特征在于，包括支架，分别固定于所述支架两端的正极摩擦单元和负极摩擦单元，以及位于所述支架内部的多个交错排列的正极形变结构和负极形变结构；各摩擦单元均分别包括固定于所述支架相应端的充液腔、填充于所述充液腔内的导电流体以及由所述充液腔内引出的电极；各正极形变结构的一端均与正极摩擦单元的充液腔连通、另一端为自由端，各负极形变结构的一端均与负极摩擦单元的充液腔连通、另一端为封闭的自由端；当正极摩擦单元和负极摩擦单元的充液腔在外力作用下产生形变时通过其内导电流体的流动分别改变各正极形变结构和负极形变结构的形状使得相应的正极形变结构和负极形变结构彼此接触、发生电荷转移。
本发明的特点及有益效果为：
本发明提出的接触分离式摩擦纳米发电机，利用弹性摩擦层在外力作用下产生的形变实现各形变结构的接触与分离，将普通接触分离式摩擦纳米发电机摩擦层间的二维平面接触转化为三维空间接触。以此，各形变结构间的接触面积在正压力得到保证的前提下显著增大，从而实现提高输出功率的目的。
一方面，本发明利用外力作用下弹性摩擦层的大幅度形变实现摩擦层间的接触与分离，增大了摩擦层间的接触面积。另一方面，本发明中传递形变的导电流体兼做流体电极，简化了摩擦纳米发电机的结构和制造流程。同时，利用导电流体传递形变可以创造更大的外力接受面积，能实现接触分离式摩擦纳米发电机的灵活布置，且通过导电流体将外力转化为变形结构的形变，不需要额外的机械结构，能以较大的面积收集微小形变。本发明为摩擦纳米发电机的批量生产和广泛应用提供了一条可行的道路。
附图说明
图1和图2分别为本发明实施例的一种利用摩擦材料形变的接触分离式摩擦纳米发电机的整体结构剖视图和主视图。
图3为图1所示接触分离式摩擦纳米发电机中1个形变结构的剖面视图。
图4的(a)、(b)分别是本发明接触分离式摩擦纳米发电机在分离和接触时的工作原理示意图。
图5的(a)、(b)分别为对本发明接触分离式摩擦纳米发电机的形变结构在受6000Pa压强下的形变应力和第一主应变的仿真结果图；图5的(c)为对本发明接触分离式摩擦纳米发电机的负极摩擦单元在内壁受6000Pa压强下的形变应力仿真结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步的详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施方式仅仅用以解释本发明，并不限定本发明的保护范围。
为了更好地理解本发明，以下详细阐述本发明提出的一种利用摩擦材料形变的接触分离式摩擦纳米发电机的应用实例。
参见图1、图2，本发明实施例的一种利用摩擦材料形变的接触分离式摩擦纳米发电机，包括支架4，分别固定于支架4两端的正极摩擦单元10和负极摩擦单元7，位于支架4内部的多个交错排列的正极形变结构9和负极形变结构8。正极摩擦单元10包括固定于支架4一端的正极充液腔1、填充于正极充液腔1内的正极导电流体以及由正极充液腔1内引出的正电极2；负极摩擦单元7包括固定于支架4另一端的负极充液腔6、填充于负极充液腔6内的负极导电流体以及由负极充液腔6内引出的负电极5；各正极形变结构9的一端均与正极充液腔1连通，各正极形变结构9的另一端为封闭的自由端，各负极形变结构8的一端均与负极充液腔6连通，各负极形变结构8的另一端为封闭的自由端，当正极充液腔1和负极充液腔6在外力作用下产生形变时通过正、负极导电流体分别改变各正极形变结构9和负极形变结构8的形状使得相应的正极形变结构9和负极形变结构8彼此接触、发生电荷转移。
本发明实施例中各组成部件的具体实现方式及功能分别描述如下：
支架4作为本接触分离式摩擦发电机的承载部件，可采用满足力学性能的硬质绝缘材料制成，包括但不限于ABS、PLA等。
正极充液腔1和负极充液腔6分别为由柔性材料或经表面修饰和/或表面改性的柔性材料制成的密闭腔体，本实施例中正极充液腔1和负极充液腔6分别由PDMS(聚二甲基硅氧烷)和NR(Natural Rubber，天然橡胶)这两种电负性差距较大的柔性材料组成。正极充液腔1和负极充液腔6内分别填充有导电流体，包括但不限于NaCl、KCl和DMSO等，且导电流体应将相应的电极完全浸没，本实施例采用NaCl溶液。正电极2和负电极5分别从正极充液腔1和负极充液腔6的侧壁***，且应使得正电极2和负电极5与相应的导电流体尽可能多的接触，正极充液腔1和负极充液腔6上***相应电极的位置处使用硅胶进行密封处理。正极充液腔1和负极充液腔6正对的一侧壁分别与支架4的一端固定。各正极形变结构9的一端与正极充液腔1连通，各正极形变结构9的另一端为自由端；各负极形变结构8的一端与负极充液腔6连通，各负极形变结构4的另一端为自由端。
各正极形变结构9和负极形变结构8的结构均相同，现以其中一个为例进行说明，参见图3，为一个正极形变结构9的结构示意图，本实施例的正极形变结构9为类波纹管的薄壁折叠结构，在该类波纹管的薄壁折叠结构的一端开设通孔91，使得正极充液腔1内的导电流体能自由在正极充液腔1和正极形变结构9之间流通。负极形变结构8及其与负极充液腔6的连接关系参照正极充液腔1和正极形变结构9，此处不再赘述。在正极充液腔1和负极充液腔6受外力作用时，正极充液腔1和负极充液腔6内的导电流体分别流入相应形变结构中，各形变结构侧壁的折叠结构拉伸打开，在材料的弹性限度内实现各自的大幅度变形，增加相应形变结构之间的接触面积。即在受外力作用时，正极充液腔1和负极充液腔6内的导电流体将外力转换为相应形变结构的形变，使得各形变结构相接触并发生电荷转移。当撤去外力后，各形变结构恢复原状，并在正极充液腔1和负极充液腔6内的导电流体中感应出电势差，由正、负电极导出，在外电路形成电流。各形变结构除所述类波纹管的薄壁折叠结构外还可以是螺旋形的薄壁折叠结构，或者其他结构形式，只要满足当形变结构在导电流体的作用下产生形变后相应的正极形变结构和负极形变结构能够彼此接触即可。正极形变结构9与正极充液腔1材质相同，负极形变结构8与负极充液腔6材质相同。
本发明实施例的接触分离式摩擦纳米发电机的制造流程为：通过模具注塑成型分别制作正极形变结构9、负极形变结构8、正极充液腔1和负极充液腔6，并制作正、负电极；使用PDMS和NR将各部分粘接组合；通过正电极2和负电极5的***孔分别向正极充液腔1和负极充液腔6内注入NaCl溶液；***正电极2和负电极5并用PDMS和NR进行密封；将组装好的正极摩擦单元10和负极摩擦单元7与支架4相粘接；将外电路连接与正电极2和负电极5相连接。
本发明的工作模式如图4的(a)和(b)所示，其本质是接触分离式摩擦纳米发电机。通过填充的导电流体将外力作用转化为形变结构在三维空间内的大幅度形变，进而将普通接触分离式摩擦纳米发电机使用过程中摩擦层间的二维平面接触转变为形变结构形变后在三维空间内的接触，增大了接触面积，输出功率高。其利用摩擦起电效应，在不同材料相互接触时发生电荷转移，并利用流体电极和导线将其引出进行能量输出。
为了验证本发明的有效性，进行如下仿真模拟：
图5的(a)为正极形变结构9和负极形变结构8在受6000Pa压强下的形变/应力仿真结果图。使用的仿真软件为COMSOL，边界条件为内壁受6000Pa的载荷，底部受到固定约束。在正极充液腔1和负极充液腔6填充的NaCl溶液受外力压入正极形变结构9和负极形变结构8后，形变结构能发生十分显著的伸展变形。在无其它约束条件的前提下，最大伸长距离可达58.7mm。此时，正极形变结构9和负极形变结构8顶端已分别同负极充液腔6和正极充液腔1接触，同时正极形变结构9和负极形变结构8间已彼此接触，提高载荷将进一步提高各形变结构间的接触面积。在6000Pa的载荷下，结构各处的应力均在35kPa以下，这一力学性能要求PDMS和NR可以满足。
图5的(b)为正极形变结构9和负极形变结构8在受6000Pa压强下的第一主应变仿真结果图。使用的仿真软件为COMSOL，边界条件为内壁受6000Pa的载荷，底部受到固定约束。在无其它约束条件的前提下，形变结构各处的第一主应变均在0.35以下。这一应变大小在PDMS和NR的线弹性范围内，这保证了正极形变结构9和负极形变结构8较好的耐用性。
图5的(c)为负极摩擦单元7在内壁受6000Pa压强下的形变应力仿真结果图。正极摩擦单元10和负极摩擦单元7结构高度类似。使用的仿真软件为COMSOL，边界条件为内壁受6000Pa的载荷，顶部受10000Pa载荷，侧壁受到固定约束。在无其它约束条件的前提下，正极摩擦单元10和负极摩擦单元7底部所能产生的形变并不十分显著，主要的形变将由正极摩擦单元10和负极摩擦单元7连通的正极形变结构9和负极形变结构8产生。
通过上述仿真结果证实了本发明构思的有效性，本发明利用弹性摩擦层在外力作用下产生的形变实现各形变结构的接触与分离，将普通接触分离式摩擦纳米发电机摩擦层间的二维平面接触转化为三维空间接触。以此，各形变结构间的接触面积在正压力得到保证的前提下显著增大，从而实现提高输出功率的目的。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各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；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。
Claims (4)
1.一种利用摩擦材料形变的接触分离式摩擦纳米发电机，其特征在于，包括支架，分别固定于所述支架两端的正极摩擦单元和负极摩擦单元，以及位于所述支架内部的多个交错排列的正极形变结构和负极形变结构；各摩擦单元均分别包括固定于所述支架相应端的充液腔、填充于所述充液腔内的导电流体以及由所述充液腔内引出的电极；各正极形变结构的一端均与正极摩擦单元的充液腔连通、另一端为封闭的自由端，各负极形变结构的一端均与负极摩擦单元的充液腔连通、另一端为封闭的自由端；当正极摩擦单元和负极摩擦单元的充液腔在外力作用下产生形变时通过其内导电流体的流动分别改变各正极形变结构和负极形变结构的形状使得相应的正极形变结构和负极形变结构彼此接触、发生电荷转移。
2.根据权利要求1所述的接触分离式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述导电流体采用NaCl、KCl或二甲基亚砜液体。
3.根据权利要求1所述的接触分离式摩擦纳米发电机，其特征在于，各形变结构为类波纹管或螺旋形的薄壁折叠结构。
4.根据权利要求1所述的接触分离式摩擦纳米发电机，其特征在于，所述正极摩擦单元和负极摩擦单元的充液腔采用电负性不同的两种柔性材料组成，正极形变结构与正极摩擦单元的充液腔材质相同，负极形变结构与负极摩擦单元的充液腔材质相同。
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| 摩擦纳米发电机在自驱动微***研究中的现状与展望;张弛等;《机械工程学报》;20190430;第55卷(第7期);第89-101页 * |
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| CN112134484A (zh) | 2020-12-25 |
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