接觸摩擦式納米發(fā)電的制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種接觸摩擦式納米發(fā)電機，包括：第一摩擦單元、第二摩擦單元以及移動部件；所述移動部件位于所述第一摩擦單元和所述第二摩擦單元之間；所述第一摩擦單元具有按照預(yù)設(shè)間隔排布的多個第一去除區(qū)域，所述第二摩擦單元具有按照所述預(yù)設(shè)間隔排布的多個第二去除區(qū)域，且所述多個第一去除區(qū)域和所述多個第二去除區(qū)域是交錯分布的；當(dāng)所述移動部件與所述第一摩擦單元和所述第二摩擦單元發(fā)生相對移動時，所述移動部件分別與所述第一摩擦單元、所述第二摩擦單元產(chǎn)生摩擦作用。該接觸摩擦式納米發(fā)電機能有效地收集周圍環(huán)境中相對滑動的機械能，其發(fā)電效率優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)中接觸分離式結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機。
【專利說明】接觸摩擦式納米發(fā)電機

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本實用新型涉及納米【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地說，涉及一種接觸摩擦式納米發(fā)電機。

【背景技術(shù)】
[0002]能源短缺是當(dāng)今人類社會面臨的重大問題，發(fā)展新能源技術(shù)和節(jié)能技術(shù)已成為科學(xué)領(lǐng)域的重要課題，而采用納米技術(shù)的能量收集和轉(zhuǎn)換裝置具有獨特的自發(fā)電和自驅(qū)動性質(zhì)，很可能在制造和驅(qū)動自供電納米器件和納米系統(tǒng)裝置中起到關(guān)鍵性的作用。自從2006年美國佐治亞理工學(xué)院王中林教授研宄組首次成功實現(xiàn)了利用氧化鋅納米線將機械能轉(zhuǎn)化成電能的壓電式納米發(fā)電機以來，以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，人們相繼研制出了基于不同材料和不同結(jié)構(gòu)的各種納米發(fā)電機。與此同時，從周圍環(huán)境中收集機械能引起了科學(xué)界的極大興趣。通常來講，發(fā)電機是一種能夠生成電荷，將正負(fù)電荷分開，并用電勢產(chǎn)生的電荷驅(qū)動自由電子流的方法。目前，科學(xué)家們研制的發(fā)電機主要是利用電磁、壓電、靜電等原理收集機械能并轉(zhuǎn)換電能運用，但很難利用相對滑動的原理收集機械能并轉(zhuǎn)換電能運用。相對滑動是一種非常普遍的現(xiàn)象，存在于我們?nèi)粘Ｉ钪懈鱾€層面。由于它很難被收集和利用，往往是被人們所忽略的一種能源形式。如果能夠通過一種新的方法利用相對滑動的原理產(chǎn)生的電能或者利用該方法將日常生活中不規(guī)則的相對滑動的機械能轉(zhuǎn)成能夠利用的電能，將對人們的日常生活產(chǎn)生重要影響。
[0003]截止到目前為止，接觸分離式結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機已被研制成功，這一類型的納米發(fā)電機主要是利用摩擦原理產(chǎn)生電能。中國專利申請CN201220217634.9公開了一種摩擦發(fā)電機以及摩擦發(fā)電機機組，所述摩擦發(fā)電機包括兩個電極，該電極包括高分子聚合物絕緣層，所述高分子聚合物絕緣層一側(cè)表面為微納凹凸結(jié)構(gòu)，另一側(cè)表面設(shè)置有金屬薄膜，該絕緣層電極微納凹凸結(jié)構(gòu)的表面與另一個絕緣層電極微納凹凸結(jié)構(gòu)的表面正對貼合并通過外側(cè)邊緣固定連接；金屬薄膜為摩擦發(fā)電機電壓和電流輸出電極。該專利申請依靠摩擦電發(fā)電機內(nèi)部摩擦起電電勢的變化以及兩側(cè)金屬極板的誘導(dǎo)效應(yīng)產(chǎn)生電能，通過串聯(lián)多個摩擦電發(fā)電機能夠組成發(fā)電機組，以提高單位面積的輸出功率。該專利申請公開的方案雖然具有低成本和結(jié)構(gòu)簡單的優(yōu)勢，但是該方案并沒有對周圍環(huán)境中的相對滑動的機械能進行有效地收集。
[0004]中國專利申請CN201420045281.8公開了一種接觸-分離式摩擦納米發(fā)電機及發(fā)電機組。所述發(fā)電機包括由MXN個分立的發(fā)電機單元構(gòu)成的發(fā)電機單元陣列，其中M和N為自然數(shù)；且每個發(fā)電機單元包括:第一摩擦件，其背面設(shè)置有第一導(dǎo)電層；硬質(zhì)的上基板，其正面固定有導(dǎo)電的第二摩擦件；彈性連接件，其用于連接第一摩擦件和上基板，使得上基板和第一摩擦件之間具有一定間隙，且僅在上基板受到外力作用后，其正面固定的第二摩擦件和與其對應(yīng)的第一摩擦件正面接觸，并通過第一導(dǎo)電層和第二摩擦件向外輸出交流脈沖信號。該專利申請采用MXN個與雨滴尺寸相匹配的發(fā)電機單元，保證充分利用雨滴動力，柔性防水薄膜在相鄰的第二基板之間形成凹槽，便于水流的導(dǎo)出。該專利申請公開的方案雖然利用了雨滴動力，但是該方案公開的發(fā)電機結(jié)構(gòu)復(fù)雜、發(fā)電效率不高，并且也沒有提及對周圍環(huán)境中的相對滑動的機械能進行有效地收集。
實用新型內(nèi)容
[0005]本實用新型的發(fā)明目的是提供一種接觸摩擦式納米發(fā)電機，能夠有效地收集周圍環(huán)境中相對滑動的機械能，并且進一步提高現(xiàn)有技術(shù)中接觸分離式結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機的發(fā)電效率。
[0006]本實用新型提供一種接觸摩擦式納米發(fā)電機，包括:第一摩擦單元、第二摩擦單元以及移動部件；所述移動部件位于所述第一摩擦單元和所述第二摩擦單元之間；所述第一摩擦單元具有按照預(yù)設(shè)間隔排布的多個第一去除區(qū)域，所述第二摩擦單元具有按照所述預(yù)設(shè)間隔排布的多個第二去除區(qū)域，且所述多個第一去除區(qū)域和所述多個第二去除區(qū)域是交錯分布的；當(dāng)所述移動部件與所述第一摩擦單元和所述第二摩擦單元發(fā)生相對移動時，所述移動部件分別與所述第一摩擦單元、所述第二摩擦單元產(chǎn)生摩擦作用，且在移動過程中所述第一摩擦單元和所述第二摩擦單元中的一個摩擦單元因所述摩擦作用感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積遞增，另一個摩擦單元因所述摩擦作用感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積遞減。
[0007]進一步，所述多個第一去除區(qū)域和所述多個第二去除區(qū)域的排布方向與所述移動部件的相對移動方向一致。
[0008]進一步，所述第一摩擦單元和所述第二摩擦單元均為金屬電極層，兩個金屬電極層為所述接觸摩擦式納米發(fā)電機的輸出電極。
[0009]進一步，所述移動部件為高分子聚合物層，所述第一摩擦單元、所述高分子聚合物層和所述第二摩擦單元依次層疊設(shè)置；所述高分子聚合物層具有按照所述預(yù)設(shè)間隔排布的多個第三去除區(qū)域；所述多個第三去除區(qū)域的排布方向與所述移動部件的相對移動方向一致。
[0010]進一步，所述多個第一去除區(qū)域、多個第二去除區(qū)域和多個第三去除區(qū)域的形狀和大小都相同，所述預(yù)設(shè)間隔的寬度與所述第一去除區(qū)域、第二去除區(qū)域和第三去除區(qū)域在排布方向上的寬度相同。
[0011]進一步，所述金屬電極層為鋁箔層，所述高分子聚合物層為聚四氟乙烯薄膜。
[0012]進一步，所述第一摩擦單元包括第一電極層和第一高分子聚合物層，所述第一電極層設(shè)置在所述第一高分子聚合物層的第一側(cè)表面上，所述第一高分子聚合物層的第二側(cè)表面具有多個第一凹槽；所述第一電極層具有按照所述預(yù)設(shè)間隔排布的多個第一去除區(qū)域；所述第二摩擦單元包括第二電極層和第二高分子聚合物層，所述第二電極層設(shè)置在所述第二高分子聚合物層的第一側(cè)表面上，所述第二高分子聚合物層的第二側(cè)表面具有多個第二凹槽；所述第二電極層具有按照所述預(yù)設(shè)間隔排布的多個第二去除區(qū)域；所述第一電極層和所述第二電極層為所述接觸摩擦式納米發(fā)電機的輸出電極；所述第一高分子聚合物層和所述第二高分子聚合物層相對設(shè)置，使得每個相對的第一凹槽與第二凹槽組合為容納所述移動部件的腔室。
[0013]進一步，所述移動部件為多個球體，所述每個腔室容納一個球體。
[0014]進一步，第一凹槽和第二凹槽沿所述移動部件的相對移動方向的長度為所述球體直徑的2倍；第一凹槽和第二凹槽的截面均為半圓形，所述腔室為圓柱型腔室，所述半圓形的半徑與所述球體的半徑相同。
[0015]進一步，所述第一高分子聚合物層和所述第二高分子聚合物層的材質(zhì)為尼龍，所述球體的材質(zhì)為聚四氟乙烯。
[0016]利用本實用新型提供的上述接觸摩擦式納米發(fā)電機，當(dāng)周圍環(huán)境中具有相對滑動的機械能時，可將該機械能施加在移動部件上，使移動部件沿相對移動方向移動，這樣接觸摩擦式納米發(fā)電機的兩個電極層之間就會產(chǎn)生電勢差，進而促使摩擦單元之間的電子在外電路流動產(chǎn)生電流，實現(xiàn)了有效地收集周圍環(huán)境中相對滑動的機械能，進一步還可為位移傳感器提供能源，經(jīng)實驗驗證該接觸摩擦式納米發(fā)電機的發(fā)電效率優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)中接觸分離式結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017]圖1為本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例一的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0018]圖2為本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例一中的第一摩擦單元的多個第一去除區(qū)域分布平面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019]圖3為本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例一中的第二摩擦單元的多個第二去除區(qū)域分布平面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0020]圖4為本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例一的發(fā)電原理示意圖；
[0021]圖5為本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例二的截面結(jié)構(gòu)示意圖；
[0022]圖6為本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例二的立體結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖7為本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例二的立體結(jié)構(gòu)截面示意圖；
[0024]圖8為本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例二的發(fā)電原理示意圖。

【具體實施方式】
[0025]為充分了解本實用新型之目的、特征及功效，借由下述具體的實施方式，對本實用新型做詳細(xì)說明，但本實用新型并不僅僅限于此。
[0026]為了能夠有效地收集周圍環(huán)境中相對滑動的機械能，本實用新型提供了一種接觸摩擦式納米發(fā)電機，這種接觸摩擦式納米發(fā)電機包括:第一摩擦單元、第二摩擦單元以及移動部件。其中移動部件位于第一摩擦單元和第二摩擦單元之間。第一摩擦單元和第二摩擦單元可以為平行于地面的平板狀結(jié)構(gòu)。具體地，第一摩擦單元具有按照預(yù)設(shè)間隔排布的多個第一去除區(qū)域，第二摩擦單元具有按照所述預(yù)設(shè)間隔排布的多個第二去除區(qū)域，且多個第一去除區(qū)域和多個第二去除區(qū)域是交錯分布的。這里第一去除區(qū)域和第二去除區(qū)域是不能感應(yīng)出電荷的區(qū)域。當(dāng)移動部件與第一摩擦單元和第二摩擦單元發(fā)生相對移動時，移動部件分別與第一摩擦單元、第二摩擦單元產(chǎn)生摩擦作用，且在移動過程中第一摩擦單元和第二摩擦單元中的一個摩擦單元因摩擦作用感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積遞增，另一個摩擦單元因所述摩擦作用感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積遞減。摩擦單元感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積變化會促使電荷發(fā)生變化，這樣兩個摩擦單元之間就會產(chǎn)生電勢差，進而促使摩擦單元之間的電子在外電路流動產(chǎn)生電流。
[0027]利用本實用新型提供的上述接觸摩擦式納米發(fā)電機，當(dāng)周圍環(huán)境中具有相對滑動的機械能時，可將該機械能施加在移動部件上，使移動部件與第一摩擦單元和第二摩擦單元發(fā)生相對移動，這樣接觸摩擦式納米發(fā)電機的兩個摩擦單元之間就會產(chǎn)生電勢差，進而促使摩擦單元之間的電子在外電路流動產(chǎn)生電流，實現(xiàn)了有效地收集周圍環(huán)境中相對滑動的機械能，進一步還可為位移傳感器提供能源，經(jīng)實驗驗證該接觸摩擦式納米發(fā)電機的發(fā)電效率優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)中接觸分離式結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機。
[0028]下面通過兩個具體的實施例對本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機的結(jié)構(gòu)和發(fā)電原理進行進一步介紹。
[0029]圖1為本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例一的截面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖1所示，該接觸摩擦式納米發(fā)電機包括:第一摩擦單元、第二摩擦單元以及移動部件；其中，第一摩擦單元和第二摩擦單元分別為金屬電極層10和金屬電極層12，移動部件為高分子聚合物層11。高分子聚合物層11位于金屬電極層10和金屬電極層12之間，由此形成三層結(jié)構(gòu)的接觸摩擦式納米發(fā)電機。金屬電極層10和金屬電極層12與高分子聚合物層11均為平板狀結(jié)構(gòu)，高分子聚合物層11能沿圖1中箭頭所指的方向發(fā)生相對移動，這里箭頭所指的方向即高分子聚合物層11的相對移動方向，當(dāng)然，在接觸摩擦式納米發(fā)電機與地面放置的角度發(fā)生變化時，其相對移動方向也會發(fā)生改變，例如:接觸摩擦式納米發(fā)電機垂直于地面放置時，其相對移動方向變?yōu)榇怪庇诘孛娣较虻纳舷乱苿臃较颍绢I(lǐng)域技術(shù)人員可以根據(jù)需要選擇放置的角度，此處不做限定。另外，在下文中均以相對移動方向為水平左右移動為例進行描述。金屬電極層10和金屬電極層12為該接觸摩擦式納米發(fā)電機的輸出電極。
[0030]金屬電極層10具有按照預(yù)設(shè)間隔排布的多個第一去除區(qū)域13，金屬電極層12具有按照所述預(yù)設(shè)間隔排布的多個第二去除區(qū)域14，高分子聚合物層11具有按照所述預(yù)設(shè)間隔排布的多個第三去除區(qū)域15。第一去除區(qū)域、第二去除區(qū)域和第三去除區(qū)域的排布方向與相對移動方向一致。下面對上述的多個第一去除區(qū)域13、多個第二去除區(qū)域14和多個第三去除區(qū)域15的具體大小設(shè)置和分布進行詳細(xì)說明。
[0031]圖2為本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例一中的第一摩擦單元的多個第一去除區(qū)域分布平面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖2所示，第一摩擦單元為圖1中的金屬電極層10，在水平左右移動的方向上，在金屬電極層10左邊距為F的位置上依次縱向去除寬度為A，長度為C的面積而形成多個第一去除區(qū)域，相鄰的兩個第一去除區(qū)域之間的間距為B，優(yōu)選地，間距B與第一去除區(qū)域的寬度A相等。左邊距F為預(yù)留距離，F(xiàn)可與間距B相等。為了使金屬電極層10在去除寬度為A，長度為C的面積后仍然能夠保持平板狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置第一去除區(qū)域距離金屬電極層10的上邊沿的上邊距為D，第一去除區(qū)域距離金屬電極層10的下邊沿的下邊距為E，第一去除區(qū)域距離金屬電極層10的右邊沿的右邊距為G。其中，長度C、上邊距D和下邊距E的設(shè)置可以根據(jù)實際使用情況進行具體設(shè)置。當(dāng)金屬電極層10在去除寬度為A，長度為C的面積而形成上述多個第一去除區(qū)域之后，在上述多個第一去除區(qū)域所在位置處，金屬電極層10是鏤空的。
[0032]在水平左右移動的方向上，圖1中的高分子聚合物層11的多個第三去除區(qū)域15的大小設(shè)置完全與金屬電極層10的多個第一去除區(qū)域13大小設(shè)置一樣，多個第三去除區(qū)域15的排布與多個第一去除區(qū)域13的排布一一對應(yīng)。
[0033]圖3為本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例一中的第二摩擦單元的多個第二去除區(qū)域分布平面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖3所示，第二摩擦單元為圖1中的金屬電極層12，在水平左右移動的方向上，在金屬電極層12左邊距為F '的位置上依次縱向去除寬度為A，長度為C的面積而形成多個第二去除區(qū)域，相鄰的兩個第二去除區(qū)域之間的間距為B，優(yōu)選地，間距B等于第二去除區(qū)域的寬度A。左邊距為F'為預(yù)留間距，為了使金屬電極層12的第二去除區(qū)域和金屬電極層10的第一去除區(qū)域交錯分布，左邊距F '可等于間距B的2倍。為了使金屬電極層12在去除寬度為A，長度為C的面積之后仍然能夠保持平板狀結(jié)構(gòu)，設(shè)置第二去除區(qū)域距離金屬電極層12的上邊沿的上邊距為D，第二去除區(qū)域距離金屬電極層12的下邊沿的下邊距為E。其中，長度C、上邊距D和下邊距E的設(shè)置可以根據(jù)實際使用情況進行具體設(shè)置。當(dāng)金屬電極層12上去除寬度為A，長度為C的面積而形成上述多個第二去除區(qū)域之后，在上述多個第二去除區(qū)域所在位置處，金屬電極層12是鏤空的。
[0034]金屬電極層12的多個第二去除區(qū)域的寬度A、間距B、長度C、上邊距D和下邊距E的大小設(shè)置完全與金屬電極層10的多個第一去除區(qū)域?qū)?yīng)的大小設(shè)置一樣，金屬電極層10的第一去除區(qū)域的右邊距G與金屬電極層12的第二去除區(qū)域的左邊距F '相等，金屬電極層10的多個第一去除區(qū)域和金屬電極層12的多個第二去除區(qū)域是交錯分布的，也就是金屬電極層10的多個第一去除區(qū)域的位置對應(yīng)于金屬電極層12沒有進行去除多個第二去除區(qū)域的位置。
[0035]上述多個第一去除區(qū)域、多個第二去除區(qū)域和多個第三去除區(qū)域的形狀和大小都相同。其中，金屬電極層10和金屬電極層12沒有被去除的區(qū)域為能感應(yīng)出電荷的區(qū)域，金屬電極層10和金屬電極層12被去除的區(qū)域為不能感應(yīng)出電荷的區(qū)域。
[0036]如圖1所示，當(dāng)高分子聚合物層11沿著箭頭所指的水平方向左右移動時，高分子聚合物層11分別與金屬電極層10、金屬電極層12產(chǎn)生摩擦作用，且在水平左右移動的過程中金屬電極層10和金屬電極層12中的一個金屬電極層因摩擦作用感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積遞增，另一個金屬電極層因所述摩擦作用感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積遞減。根據(jù)電荷守恒定律，電極層感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積變化會促使電荷發(fā)生變化，這樣兩個電極層之間就會產(chǎn)生電勢差，進而促使電極層之間的電子在外電路流動產(chǎn)生電流，即金屬電極層10和金屬電極層12之間形成了方向一致的電流。
[0037]可選地，高分子聚合物層11選自聚四氟乙烯薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚二甲基硅氧烷薄膜、聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纖維再生海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、聚甲基薄膜、甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸鹽薄膜和聚偏氟乙烯薄膜中的一種。優(yōu)選地，高分子聚合物層11為聚四氟乙烯薄膜。
[0038]金屬電極層10和金屬電極層12的材質(zhì)可以選自銦錫氧化物、石墨烯、銀納米線膜、金屬或合金；其中，金屬是金、銀、鉑、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、錫、鐵、錳、鉬、鎢或釩；合金是銷合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、猛合金、镲合金、鉛合金、錫合金、錦合金、秘合金、銦合金、鎵合金、鶴合金、鉬合金、銀合金或鉭合金。優(yōu)選地，金屬電極層10和金屬電極層12為鋁箔層。
[0039]為了更清楚地理解接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例一的發(fā)電原理和測試方法，下面對實施例一的發(fā)電原理和實驗測試方法進行詳細(xì)說明。
[0040]圖4為本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例一的發(fā)電原理示意圖。如圖4中a狀態(tài)所示，金屬電極層10、金屬電極層12和高分子聚合物層11保持相對靜止。高分子聚合物層11從a狀態(tài)沿著水平方向向右移動到b狀態(tài)的過程中，金屬電極層10和金屬電極層12保持相對靜止，高分子聚合物層11相對于金屬電極層10和金屬電極層12向右移動，金屬電極層10和高分子聚合物層11的接觸面積減少，金屬電極層10能感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積減少，而金屬電極層12與高分子聚合物層11的接觸面積增加，金屬電極層12能感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積增加，因此兩個電極層之間就會產(chǎn)生電勢差。由于此電勢差的產(chǎn)生，金屬電極層10和金屬電極層12之間就會在外電路形成方向一致的電流，如圖4中b狀態(tài)所示。高分子聚合物層11從b狀態(tài)沿著水平方向向左移動到c狀態(tài)的過程中，高分子聚合物層11相對于金屬電極層10和金屬電極層12向左移動，金屬電極層10和高分子聚合物層11的接觸面積增加，金屬電極層10能感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積增加，而金屬電極層12和高分子聚合物層11的接觸面積減少，金屬電極層12能感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積減少，因此，金屬電極層10和金屬電極層12之間就會在外電路形成方向一致的電流，如圖4中c狀態(tài)所示。從a狀態(tài)到b狀態(tài)的過程中，金屬電極層10和金屬電極層12之間形成的電流方向與從b狀態(tài)到c狀態(tài)的過程中，金屬電極層10和金屬電極層12之間形成的電流方向相反?？蓪腶狀態(tài)到b狀態(tài)，再從b狀態(tài)到c狀態(tài)看作為一個周期，這整個周期產(chǎn)生了一個交流電。
[0041]以上述實施例一提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機作為測試樣品進行實驗測試，該實驗測試需要的測試工具包括驅(qū)動工裝、示波器和電容為1yC的充電模塊。將測試樣品安裝在驅(qū)動工裝上，驅(qū)動工裝帶動測試樣品中的高分子聚合物層水平左右來回移動，且測試樣品中的上下兩個金屬電極層保持不動，這樣高分子聚合物層就在上下兩個金屬電極層間產(chǎn)生相對運動。將兩個金屬電極層接入示波器測試輸出電壓；將兩個金屬電極層接入充電模塊測試輸出電流。
[0042]實驗測試中，高分子聚合物層以48mm/s的速度來回運動，將兩個金屬電極層接入示波器測試出的峰值電壓為6.4V。將兩個金屬電極層接入充電模塊，給電容C為10 μ f的電容充電。該測試樣品的面積為0.06m*0.025m2，當(dāng)充電時間T為175s時，電容的電壓V為3V，電量為Q，則電流I = Q/T = CV/T = 10*10^*3/175 = 1.7*10'即產(chǎn)生的平均電流為0.17 μ A，相當(dāng)于接觸摩擦式納米發(fā)電機的面積是Im2的情況下，可產(chǎn)生約為113 μ A的平均電流。
[0043]利用圖1所示的接觸摩擦式納米發(fā)電機，當(dāng)周圍環(huán)境中具有相對滑動的機械能時，可將該機械能施加在高分子聚合物層上，使高分子聚合物層沿水平左右方向移動，這樣接觸摩擦式納米發(fā)電機的兩個電極層之間產(chǎn)生交流電，實現(xiàn)了有效地收集周圍環(huán)境中相對滑動的機械能，進一步還可為位移傳感器提供能源，經(jīng)實驗驗證該接觸摩擦式納米發(fā)電機的發(fā)電效率優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)中接觸分離式結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機。
[0044]圖5為本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例二的截面結(jié)構(gòu)示意圖，如圖5所示，該接觸摩擦式納米發(fā)電機包括:第一摩擦單元、第二摩擦單元以及移動部件；其中，第一摩擦單元包括第一電極層20和第一高分子聚合物層21，第一電極層20設(shè)置在第一高分子聚合物層21的第一側(cè)表面上，第一高分子聚合物層21的第二側(cè)表面具有多個第一凹槽，第一電極層20具有按照所述預(yù)設(shè)間隔排布的多個第一去除區(qū)域25。第二摩擦單元包括第二電極層24和第二高分子聚合物層23，第二電極層24設(shè)置在第二高分子聚合物層23的第一側(cè)表面上，第二高分子聚合物層23的第二側(cè)表面具有多個第二凹槽，第二電極層24具有按照所述預(yù)設(shè)間隔排布的多個第二去除區(qū)域26。其中，第一電極層20和第二電極層24為該接觸摩擦式納米發(fā)電機的輸出電極。
[0045]圖6為本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例二的立體結(jié)構(gòu)示意圖，圖7為本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例二的立體結(jié)構(gòu)截面示意圖，如圖6和圖7所示，第一電極層20為第一高分子聚合物層21的第一側(cè)表面上設(shè)置的圖案，該圖案由多個縱向的電極單元組成，并且每個電極單元又被分隔線部分分割為多個電極塊30，所謂部分分割指的是這些電極塊30沒有被完全分割開而是部分連通的。該圖案可以通過沉積和刻蝕工藝形成，具體來說，在第一高分子聚合物層21的第一側(cè)表面沉積金屬電極材料后，通過刻蝕工藝按照預(yù)設(shè)間隔刻蝕形成多個第一去除區(qū)域和多個電極單元，并在每個電極單元上刻蝕多個分隔線形成多個電極塊30。
[0046]圖6和圖7中未示出的第二電極層24與第一電極層20類似，也是由多個縱向的電極單元組成的圖案，并且每個電極單元又被分隔線部分分割為多個電極塊。從圖5可以看出，第一電極層上的多個第一去除區(qū)域25和第二電極層上的多個第二去除區(qū)域26是交錯分布的。第一電極層20和第二電極層24沒有被去除的區(qū)域(即電極塊區(qū)域)為能感應(yīng)出電荷的區(qū)域，第一電極層20和第二電極層24被去除的區(qū)域為不能感應(yīng)出電荷的區(qū)域。
[0047]第一高分子聚合物層21的第二側(cè)表面具有多個第一凹槽，多個第一凹槽成列分布，每一列第一凹槽的位置對應(yīng)于一個縱向的電極單元和與該電極單元相鄰的第一去除區(qū)域的位置。一列第一凹槽中的每個第一凹槽又對應(yīng)一個電極塊和與該電極塊相鄰的部分第一去除區(qū)域的位置。
[0048]類似的，第二高分子聚合物層23的第二側(cè)表面具有多個第二凹槽，多個第二凹槽成列分布，每一列第二凹槽的位置對應(yīng)于第二高分子聚合物層23的第一側(cè)表面的一個縱向的電極單元和與該電極單元相鄰的第二去除區(qū)域的位置。一列第二凹槽中的每個第二凹槽又對應(yīng)一個電極塊和與該電極塊相鄰的部分第二去除區(qū)域的位置。
[0049]第一高分子聚合物層21和第二高分子聚合物層23相對設(shè)置，使得每個相對的第一凹槽與第二凹槽可以組合為容納移動部件的腔室。移動部件為多個球體22，每個腔室容納一個球體22。球體22能在第一高分子聚合物層21的第一凹槽與第二高分子聚合物層23的第二凹槽組合成的腔室內(nèi)沿著水平方向左右移動。
[0050]如圖5所示，第一凹槽和第二凹槽沿水平方向左右移動的長度為球體22直徑的2倍，即上述腔室的長度為球體22直徑的2倍。第一凹槽和第二凹槽的截面均為半圓形，腔室為圓柱型腔室，半圓形的半徑與球體的半徑相同，使球體22能夠與第一高分子聚合物層21和第二高分子聚合物層23直接接觸并在移動過程中因摩擦作用產(chǎn)生電荷。在球體22移動過程中，第一電極層20和第二電極層24中的一個電極層因摩擦作用感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積遞增，另一個電極層因所述摩擦作用感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積遞減。電極層感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積變化會促使電荷發(fā)生變化，這樣兩個電極層之間就會產(chǎn)生電勢差，進而促使電極層之間的電子在外電路流動產(chǎn)生電流。
[0051]第一高分子聚合物層21的第一凹槽與第二高分子聚合物層23的第二凹槽組合的腔室也可以設(shè)置為長方體腔室，但是此時球體22與第一高分子聚合物層21和第二高分子聚合物層23的摩擦接觸面積小于腔室為圓柱型腔室時球體22與第一高分子聚合物層21和第二高分子聚合物層23的摩擦接觸面積。
[0052]可選地，第一高分子聚合物層21和第二高分子聚合物層23的材質(zhì)可選自聚四氟乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、苯胺甲醛樹脂、聚甲醛、乙基纖維素、尼龍、三聚氰胺甲醛、聚乙二醇丁二酸酯、纖維素、纖維素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯、纖維再生海綿、聚氨酯彈性體、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、人造纖維、聚甲基、甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯柔性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、甲醛苯酚、氯丁橡膠、丁二烯丙烯共聚物、天然橡膠、聚丙烯腈、丙烯腈氯乙烯、聚乙烯丙二酚碳酸鹽和聚偏氟乙烯中的一種，球體22選擇其中的另外一種。優(yōu)選地，第一高分子聚合物層21和第二高分子聚合物層23的材質(zhì)為尼龍，球體22的材質(zhì)為聚四氟乙烯。
[0053]第一電極層20和第二電極層24的材質(zhì)可選自銦錫氧化物、石墨烯、銀納米線膜、金屬或合金；其中，金屬是金、銀、鉑、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、錫、鐵、錳、鉬、鎢或釩；合金是鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、猛合金、镲合金、鉛合金、錫合金、錦合金、秘合金、銦合金、鎵合金、鶴合金、鉬合金、銀合金或鉭合金。
[0054]為了更清楚地理解接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例二的發(fā)電原理，下面對實施例二的發(fā)電原理進行詳細(xì)說明。
[0055]圖8為本實用新型提供的接觸摩擦式納米發(fā)電機實施例二的發(fā)電原理示意圖。如圖8中a狀態(tài)所示，由于第一電極層20的多個第一去除區(qū)域25和第二電極層24的多個第二去除區(qū)域26交錯分布，當(dāng)球體22從a狀態(tài)沿著水平方向向左滾動到b狀態(tài)的過程中，球體22相對于第一電極層20和第二電極層24向左移動，球體22逐步離開第一電極層20上的電極塊，球體22與第一電極層20能感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積減少，而與此同時，球體22逐步接近第二電極層24上的電極塊，球體22與第二電極層24能感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積增加，因此兩個電極層之間就會產(chǎn)生電勢差，這樣第一電極層20和第二電極層24之間形成了方向一致的電流，如圖8中b狀態(tài)所示。當(dāng)球體從b狀態(tài)沿著水平方向向右滾動到c狀態(tài)的過程中，球體22與第一電極層20能感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積增加，而球體22與第二電極層24能感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積減少，這樣第一電極層20和第二電極層24之間又形成了方向一致的電流，如圖8中c狀態(tài)所示。從a狀態(tài)到b狀態(tài)的過程中，第一電極層20和第二電極層24之間形成的電流方向與從b狀態(tài)到c狀態(tài)的過程中，第一電極層20和第二電極層24之間形成的電流方向相反?？蓪腶狀態(tài)到b狀態(tài)，再從b狀態(tài)到c狀態(tài)看作為一個周期，這整個周期產(chǎn)生了一個交流電。
[0056]利用圖5所示的接觸摩擦式納米發(fā)電機，當(dāng)周圍環(huán)境中具有相對滑動的機械能時，可將該機械能施加在球體上，使球體沿水平方向左右移動，這樣接觸摩擦式納米發(fā)電機的兩個電極層之間就會產(chǎn)生電勢差，進而促使摩擦單元之間的電子在外電路流動產(chǎn)生電流，實現(xiàn)了有效地收集周圍環(huán)境中相對滑動的機械能，進一步還可為位移傳感器提供能源，經(jīng)實驗驗證該接觸摩擦式納米發(fā)電機的發(fā)電效率優(yōu)于現(xiàn)有技術(shù)中接觸分離式結(jié)構(gòu)的納米發(fā)電機。
[0057]最后，需要注意的是:以上列舉的僅是本實用新型的具體實施例子，當(dāng)然本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本實用新型進行改動和變型，倘若這些修改和變型屬于本實用新型權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，均應(yīng)認(rèn)為是本實用新型的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種接觸摩擦式納米發(fā)電機，其特征在于，包括:第一摩擦單元、第二摩擦單元以及移動部件； 所述移動部件位于所述第一摩擦單元和所述第二摩擦單元之間； 所述第一摩擦單元具有按照預(yù)設(shè)間隔排布的多個第一去除區(qū)域，所述第二摩擦單元具有按照所述預(yù)設(shè)間隔排布的多個第二去除區(qū)域，且所述多個第一去除區(qū)域和所述多個第二去除區(qū)域是交錯分布的； 當(dāng)所述移動部件與所述第一摩擦單元和所述第二摩擦單元發(fā)生相對移動時，所述移動部件分別與所述第一摩擦單元、所述第二摩擦單元產(chǎn)生摩擦作用，且在移動過程中所述第一摩擦單元和所述第二摩擦單元中的一個摩擦單元因所述摩擦作用感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積遞增，另一個摩擦單元因所述摩擦作用感應(yīng)出電荷的區(qū)域面積遞減。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸摩擦式納米發(fā)電機，其特征在于，所述多個第一去除區(qū)域和所述多個第二去除區(qū)域的排布方向與所述移動部件的相對移動方向一致。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸摩擦式納米發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦單元和所述第二摩擦單元均為金屬電極層，兩個金屬電極層為所述接觸摩擦式納米發(fā)電機的輸出電極。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸摩擦式納米發(fā)電機，其特征在于，所述移動部件為高分子聚合物層，所述第一摩擦單元、所述高分子聚合物層和所述第二摩擦單元依次層疊設(shè)置；所述高分子聚合物層具有按照所述預(yù)設(shè)間隔排布的多個第三去除區(qū)域；所述多個第三去除區(qū)域的排布方向與所述移動部件的相對移動方向一致。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的接觸摩擦式納米發(fā)電機，其特征在于，所述多個第一去除區(qū)域、多個第二去除區(qū)域和多個第三去除區(qū)域的形狀和大小都相同，所述預(yù)設(shè)間隔的寬度與所述第一去除區(qū)域、第二去除區(qū)域和第三去除區(qū)域在排布方向上的寬度相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求3所述的接觸摩擦式納米發(fā)電機，其特征在于，所述金屬電極層為鋁箔層。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的接觸摩擦式納米發(fā)電機，其特征在于，所述高分子聚合物層為聚四氟乙烯薄膜。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的接觸摩擦式納米發(fā)電機，其特征在于，所述第一摩擦單元包括第一電極層和第一高分子聚合物層，所述第一電極層設(shè)置在所述第一高分子聚合物層的第一側(cè)表面上，所述第一高分子聚合物層的第二側(cè)表面具有多個第一凹槽；所述第一電極層具有按照所述預(yù)設(shè)間隔排布的多個第一去除區(qū)域； 所述第二摩擦單元包括第二電極層和第二高分子聚合物層，所述第二電極層設(shè)置在所述第二高分子聚合物層的第一側(cè)表面上，所述第二高分子聚合物層的第二側(cè)表面具有多個第二凹槽；所述第二電極層具有按照所述預(yù)設(shè)間隔排布的多個第二去除區(qū)域； 所述第一電極層和所述第二電極層為所述接觸摩擦式納米發(fā)電機的輸出電極； 所述第一高分子聚合物層和所述第二高分子聚合物層相對設(shè)置，使得每個相對的第一凹槽與第二凹槽組合為容納所述移動部件的腔室。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的接觸摩擦式納米發(fā)電機，其特征在于，所述移動部件為多個球體，所述每個腔室容納一個球體。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的接觸摩擦式納米發(fā)電機，其特征在于，第一凹槽和第二凹槽沿所述移動部件的相對移動方向的長度為所述球體直徑的2倍； 第一凹槽和第二凹槽的截面均為半圓形，所述腔室為圓柱型腔室，所述半圓形的半徑與所述球體的半徑相同。
11.根據(jù)權(quán)利要求9所述的接觸摩擦式納米發(fā)電機，其特征在于，所述第一高分子聚合物層和所述第二高分子聚合物層的材質(zhì)為尼龍，所述球體的材質(zhì)為聚四氟乙烯。
【文檔編號】H02N1/04GK204216797SQ201420683966
【公開日】2015年3月18日 申請日期:2014年11月14日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月14日
【發(fā)明者】鐘強, 王珊, 刁海豐, 程馳 申請人:納米新能源（唐山）有限責(zé)任公司