CN203301397U

CN203301397U - 摩擦发电机

Info

Publication number: CN203301397U
Application number: CN2013203108860U
Authority: CN
Inventors: 王珊; 郭竟; 刘红阁; 冯顺
Original assignee: Nano New Energy Tangshan Co Ltd
Current assignee: Nazhiyuan Technology Tangshan Co Ltd
Priority date: 2013-05-31
Filing date: 2013-05-31
Publication date: 2013-11-20
Anticipated expiration: 2023-05-31

Abstract

本实用新型提供了一种摩擦发电机。该摩擦发电机包括：第一基底层、第一电极层、第一高分子聚合物绝缘层、摩擦电极层、第二高分子聚合物绝缘层、第二电极层，第二基底层和多个弹性部件。本实用新型是包含两个单体发电机结构的复合层发电机，两个单体发电机共用一个摩擦电极层。本实用新型共用的摩擦电极层既作为发电层，又作为摩擦发电机的电极。

Description

摩擦发电机

技术领域

本实用新型涉及一种摩擦发电机。

背景技术

目前，能源问题是影响人类提高和可持续发展的重大题目之一。各种围绕新能源开发、可再生能源重复利用的研究正在世界各地如火如荼地进行之中。

采用摩擦技术构建的能量收集和转换装置，在自供电纳米***中起关键作用。并且，由于其环保、节能、自驱动性质，受到了广泛关注。随着王中林教授研究组研发的压电摩擦发电机首次将机械能转换为电能以来，以压电和摩擦电为基础的不同结构和材料的摩擦发电机相继问世。目前，摩擦发电机已能够驱动小型液晶显示屏、低功率发光二极管以及微型电子器件和模块等，但是发电机的输出性能仍然是制约其发展和应用的关键因素。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是：克服现有摩擦发电机输出性能受限的缺陷，提供了一种摩擦发电机，输出功率明显提高。

为了解决上述技术问题，本实用新型提供了一种摩擦发电机，包括：第一基底层、第一电极层、第一高分子聚合物绝缘层、摩擦电极层、第二高分子聚合物绝缘层、第二电极层，第二基底层和多个弹性部件，

所述第一基底层、第一电极层以及第一高分子聚合物绝缘层依次层叠设置；所述第二基底层、第二电极层以及第二高分子聚合物绝缘层依次层叠设置；所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置，所述摩擦电极层置于第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层之间，其一端可活动性连接第一高分子聚合物绝缘层，另一端可活动性连接第二高分子聚合物绝缘层；

所述第一基底层和第二基底层存在未层叠设置电极层的裸露区域，每个弹性部件一端连接第一基底层的裸露区域，另一端连接第二基底层的裸露区域；

第一电极层、第二电极层与摩擦电极层为摩擦发电机的电压或电流输出电极。

前述的摩擦发电机，其中，第一高分子聚合物绝缘层与摩擦电极层相对表面的至少一个表面上设置有微纳凹凸结构，以及第二高分子聚合物绝缘层与摩擦电极层相对表面的至少一个表面上设置有微纳凹凸结构；

所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层表面上设置的微纳凹凸结构为凸起高度50nm-300nm的纳米凹凸结构；所述摩擦电极层表面上设置的微纳凹凸结构为凸起高度300nm-1μm的微纳凹凸结构。

前述的摩擦发电机，其中，所述第一基底层和第二基底层为亚克力基底、玻璃基底、不锈钢基底、或陶瓷基底。

前述的摩擦发电机，其中，所述摩擦电极层为金属层或合金层。

前述的摩擦发电机，其中，所述多个弹性部件为四个弹簧，分别设置于第一基底层和第二基底层的裸露区域。

前述的摩擦发电机，其中，所述弹簧中设有导向柱。

前述的摩擦发电机，其中，所述摩擦发电机包含两个单体摩擦发电机。

前述的摩擦发电机，其中，所述摩擦电极层为两个单体摩擦发电机的共用电极。

本实用新型是包含两个单体发电机结构的复合层发电机，两个单体发电机共用一个摩擦电极层。本实用新型共用的摩擦电极层既作为发电层，又作为摩擦发电机的电极，有效节省了材料。本实用新型摩擦发电机性能有显著提高。

附图说明

图1为本实用新型摩擦发电机的立体结构示意图。

图2为本实用新型摩擦发电机的立体结构示意图。

图3为本实用新型摩擦发电机的主视图。

图4为本实用新型摩擦发电机另一具体实施方式的主视图。

具体实施方式

为充分了解本实用新型之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本实用新型做详细说明。

本实用新型是一种摩擦发电机及其制备方法。本实用新型是包含两个单体发电机结构的复合层发电机，两个单体发电机共用一个摩擦电极层。本实用新型共用的摩擦电极层既作为摩擦层，又作为摩擦发电机的电极。

图1和2所示是本实用新型摩擦发电机的立体结构示意图，图3所示是本实用新型摩擦发电机的主视图。下面结合图1-图3，详细说明本实用新型摩擦发电机的结构。

该摩擦发电机包括：第一基底层1、第一电极层2、第一高分子聚合物绝缘层3、摩擦电极层4、第二高分子聚合物绝缘层5、第二电极层6，第二基底层7和多个弹性部件8。

第一基底层1、第一电极层2以及第一高分子聚合物绝缘层3依次层叠设置。第二基底层7、第二电极层6以及第二高分子聚合物绝缘层5也依次层叠设置。第一基底层1和第二基底层7存在未层叠设置电极层的裸露区域。

第一基底层1和第二基底层7可以选自亚克力基底、玻璃基底、不锈钢基底、陶瓷基底、或高分子聚合物材料基底中的一种，或其它具有力学刚性的基板。

当采用不锈钢基底时，由于不锈钢材料的导电性，需要将电极层和基底层绝缘隔离，以避免金属弹簧的嵌入造成的器件通过外电路正负短接。

通常具有导电性的材料层均可用作第一电极层2和第二电极层6，例如镀有铟锡金属氧化物的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）层，具有电传导性的金属或合金层、石墨烯涂层、银纳米线涂层、或其他透明导电膜如铝掺杂锌氧化物（AZO）、氟掺杂锡氧化物（FTO）等。优选的金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；优选的合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。

第一高分子聚合物绝缘层3和第二高分子聚合物绝缘层5可以选自将聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维（再生）海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚丙烯酸酯聚合物薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚缩聚物薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐中的任意一种。优选为聚二甲基硅氧烷（PDMS）层。聚二甲基硅氧烷（PDMS）层可以固化得到。具体的，将聚二甲基硅氧烷与固化剂混合均匀后溶于有机溶剂中，搅拌均匀，配成浆料，然后将该浆料通过旋涂法（滴涂、浸蘸、刮涂等涂膜方法）涂在第一电极层2和第二电极层6上，60-120℃固化，形成第一高分子聚合物绝缘层3和第二高分子聚合物绝缘层5。使用的有机溶剂可以是正己烷、环己烷、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯或乙酸丁酯。使用的固化剂为硫化剂，例如市购道康宁184。

第一高分子聚合物绝缘层3和第二高分子聚合物绝缘层5相对设置，摩擦电极层4置于第一高分子聚合物绝缘层3和第二高分子聚合物绝缘层5之间。具体的，摩擦电极层4以一定角度倾斜置于第一高分子聚合物绝缘层3和第二高分子聚合物绝缘层5之间，其一端可活动性连接第一高分子聚合物绝缘层3，另一端可活动性设置第二高分子聚合物绝缘层5，使得第一高分子聚合物绝缘层3、摩擦电极层4和第二高分子聚合物绝缘层5组成“Z”字形。

本实用新型所述“可活动性连接”包括转动和滑动，其中转动是指摩擦电极层与高分子聚合物绝缘层连接后，摩擦电极层相对高分子聚合物绝缘层可活动；滑动是指高分子聚合物绝缘层周边设有挡块或滑动槽，使得摩擦电极层能够卡设于高分子聚合物绝缘层，且能够相对高分子聚合物绝缘层可滑动。“可活动性设置”包括可活动性连接和自由放置，自由放置是指摩擦电极层的一端自由放置在高分子聚合物绝缘层上，并可在高分子聚合物绝缘层上滑动；另一端是可活动性连接在高分子聚合物绝缘层上。

当按压第一基底层1和/或第二基底层7，摩擦电极层4旋转，直至其与第一高分子聚合物绝缘层3和第二高分子聚合物绝缘层5平行，从而在第一高分子聚合物绝缘层3和摩擦电极层4之间，以及第二高分子聚合物绝缘层5和摩擦电极层4之间形成摩擦面。摩擦电极层所用材料为金属或合金层，金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；优选的合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金，优选铝。

第一高分子聚合物绝缘层与摩擦电极层相对表面的至少一个表面上设置有微纳凹凸结构，以及第二高分子聚合物绝缘层与摩擦电极层相对表面的至少一个表面上设置有微纳凹凸结构；所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层表面上设置的微纳凹凸结构为凸起高度50nm-300nm的纳米凹凸结构；所述摩擦电极层表面上设置的微纳凹凸结构为凸起高度300nm-1μm的微纳凹凸结构。

该摩擦发电机在第一基底层1和第二基底层7的裸露区域设有弹性部件8。每个弹性部件8的一端连接第一基底层1的裸露区域，另一端连接第二基底层7的裸露区域。弹性部件8自然态时，摩擦电极层4以一定角度倾斜于第一高分子聚合物绝缘层3和第二高分子聚合物绝缘层5之间，使得第一高分子聚合物绝缘层3、摩擦电极层4和第二高分子聚合物绝缘层5组成“Z”字形。弹性部件8压缩态时，摩擦电极层4与第一高分子聚合物绝缘层3和第二高分子聚合物绝缘层5平行，从而在第一高分子聚合物绝缘层3和摩擦电极层4之间，以及第二高分子聚合物绝缘层5和摩擦电极层4之间形成摩擦界面。弹性部件8在压缩态时的高度优选等于第一电极层2、第一高分子聚合物绝缘层3、摩擦电极层4、第二高分子聚合物绝缘层5和第二电极层6的高度之和，以使弹性部件8产生最大的动能。

本实用新型的多个弹性部件为至少3个以上，例如4个，5个，6个等等，根据摩擦发电机的大小，很容易选择弹性部件的适当个数。本实用新型多个弹性部件为优选为四个弹簧，分别设置于第一基底层和第二基底层的端角处。所述弹簧采用金属材质、合金材质或其它弹性塑料材质制成。如图4所示，优选的，每个弹簧中设有导向柱81，以起到导向作用。

本实用新型摩擦发电机相当于包含两个单体摩擦发电机，摩擦电极层4为两个单体摩擦发电机的共用电极。当摩擦发电机的各层向下弯曲时，弹性部件8压缩，同时摩擦电极层4旋转，直至其与第一高分子聚合物绝缘层3和第二高分子聚合物绝缘层5平行，从而在第一高分子聚合物绝缘层3和摩擦电极层4之间，以及第二高分子聚合物绝缘层5和摩擦电极层4之间形成摩擦面。摩擦面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极层2、与摩擦电极层4之间、以及摩擦电极层4与第二电极层6之间的电容发生改变，从而导致电极之间出现电势差。由于电极之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。

当本实用新型摩擦发电机作为两个单体摩擦发电机使用时，第一电极层2和第二电极层6分别是两个单体摩擦发电机的一个电压或电流输出电极，摩擦电极层4作为共用电极，是单体摩擦发电机的另一个电压或电流输出电极。

本实用新型摩擦发电机还可以将两个单体摩擦发电机串联使用，即第一电极层2和第二电极层6连接在一起作为摩擦发电机的一个电压或电流输出电极，摩擦电极层4作为另一个电压或电流输出电极。

下面详细说明本实用新型摩擦发电机的一种制备方法。

1）在第一基底层1和第二基底层7的一侧表面上分别设置第一电极层2和第二电极层6。例如，将镀有铟锡金属氧化物的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）粘连固定在预先清洗过的在第一基底层1和第二基底层7上。第一基底层1和第二基底层7留有未设置电极层的裸露区域。

2）通过旋涂法（滴涂、浸蘸、刮涂等涂膜方法）将高分子聚合物（例如聚二甲基硅氧烷）浆料涂在第一电极层2和第二电极层6上并固化，形成第一高分子聚合物绝缘层3和第二高分子聚合物绝缘层5。此时得到第一基底层1-第一电极层2-第一高分子聚合物绝缘层3的层叠体，以及第二基底层7-第二电极层6-第二高分子聚合物绝缘层5的层叠体。

或者，将高分子聚合物浆料涂覆于具有微纳凹凸结构的硅模板表面，真空脱气，用旋转涂覆的方式将硅片表面多余的混合物去掉，形成一层薄薄的聚合物液体膜。将整个模板固化，然后剥离，得到均匀的具有微纳凹凸结构的聚合物膜，优选的该微纳凹凸结构为凸起高度50nm-300nm的纳米凹凸结构。然后按照聚合物膜未带微纳凹凸结构的面朝向基底层的方式，将聚合物膜与基底层层叠设置，得到第一基底层1-第一电极层2-第一高分子聚合物绝缘层3的层叠体，以及第二基底层7-第二电极层6-第二高分子聚合物绝缘层5的层叠体。

3）将步骤2）得到的两个层叠体按照第一高分子聚合物绝缘层3和第二高分子聚合物绝缘层5相对设置，将摩擦电极层4的一端可活动性连接在第一高分子聚合物绝缘层3上，另一端可活动性连接在第二高分子聚合物绝缘层5上。摩擦电极层4的第一侧表面和/或第二侧表面优选设有微纳凹凸结构，更优选为凸起高度300nm-1μm的微纳凹凸结构。

4）在第一基底层1和第二基底层7的裸露区域，将第一基底层1和第二基底层7之间用弹性部件（优选弹簧）连接，使第一基底层1和第二基底层7能上下移动、以一定速度自由分离，从而得到本实用新型的摩擦发电机。

在一个具体实施方式中，按照上述方法得到了尺寸为6cm×6cm的摩擦发电机。其中，第一基底层1和第二基底层7为亚克力基底，厚度为2.7mm。第一电极层2和第二电极层6为镀有铟锡金属氧化物的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）层，厚度为0.15mm。第一高分子聚合物绝缘层3和第二高分子聚合物绝缘层5为聚二甲基硅氧烷（PDMS）层。摩擦电极层4为铝层，厚度为0.45mm，其两个表面设有凸起高度500nm的微纳凹凸结构。弹性部件8为四个弹簧，设置在第一基底层1和第二基底层7的四个端角处，弹簧的自然态长度为17mm，压缩态长度为4.6mm。使用周期振荡（0.33Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机的最大输出电压和电流信号分别达到了99V（使用万用表测试）和220μA。

上述方案包含首选实施例和备案时实用新型人所知的该项实用新型的最佳模式时，上述实施例只作为说明性例子给出。对该说明中揭露的特定实施例的许多异化，不偏离该项实用新型的精神和范围的话，将是容易鉴别的。因此，该项实用新型的范围将通过所附的权利要求确定，而不限于上面特别描述的实施例。

Claims

1.一种摩擦发电机，其特征在于，包括：第一基底层、第一电极层、第一高分子聚合物绝缘层、摩擦电极层、第二高分子聚合物绝缘层、第二电极层，第二基底层和多个弹性部件，

所述第一基底层、第一电极层以及第一高分子聚合物绝缘层依次层叠设置；所述第二基底层、第二电极层以及第二高分子聚合物绝缘层依次层叠设置；所述第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层相对设置，所述摩擦电极层置于第一高分子聚合物绝缘层和第二高分子聚合物绝缘层之间，其一端可活动性连接第一高分子聚合物绝缘层，另一端可活动性设置第二高分子聚合物绝缘层；

2.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，第一高分子聚合物绝缘层与摩擦电极层相对表面的至少一个表面上设置有微纳凹凸结构，以及第二高分子聚合物绝缘层与摩擦电极层相对表面的至少一个表面上设置有微纳凹凸结构；

3.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第一基底层和第二基底层为亚克力基底、玻璃基底、不锈钢基底或陶瓷基底。

4.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，所述摩擦电极层为金属层或合金层。

5.根据权利要求1-4任一项所述的摩擦发电机，其特征在于，所述多个弹性部件为四个弹簧，分别设置于第一基底层和第二基底层的裸露区域。

6.根据权利要求5所述的摩擦发电机，其特征在于，所述弹簧中设有导向柱。

7.根据权利要求6所述的摩擦发电机，其特征在于，所述摩擦发电机包含两个单体摩擦发电机。

8.根据权利要求7所述的摩擦发电机，其特征在于，所述摩擦电极层为两个单体摩擦发电机的共用电极。