本發(fā)明屬于發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)。

背景技術(shù)：

能源是決定人類(lèi)生活質(zhì)量的重要資源，隨著傳統(tǒng)化石能源日漸枯竭及環(huán)境污染問(wèn)題日益嚴(yán)重，尋找成本低廉、性能穩(wěn)定且轉(zhuǎn)換效率高的新型能源獲取方式變得日益緊迫。

摩擦起電是日常生活中的一種常見(jiàn)現(xiàn)象，通常情況下被視作不利因素而被消除。然而，自2012年王中林科研團(tuán)隊(duì)首次發(fā)明摩擦納米發(fā)電機(jī)以來(lái)，摩擦起電逐漸成為一種新型獲取電能的方式而進(jìn)入人們的視線，在能量轉(zhuǎn)換和利用技術(shù)上做出了革命性的突破。摩擦發(fā)電機(jī)的基本原理是利用極性相差較大的兩種摩擦材料間相互摩擦產(chǎn)生靜電荷結(jié)合靜電效應(yīng)誘導(dǎo)極板上產(chǎn)生相反電荷，通過(guò)外電路實(shí)現(xiàn)電荷的轉(zhuǎn)移產(chǎn)生電流，從而實(shí)現(xiàn)將周?chē)h(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，人體運(yùn)動(dòng)、水流、氣流、聲音等產(chǎn)生的微小振動(dòng)均可以驅(qū)動(dòng)摩擦發(fā)電機(jī)工作。同時(shí)，隨著微型、便攜式電子設(shè)備的迅猛發(fā)展，探尋便攜且能夠?qū)崿F(xiàn)自驅(qū)動(dòng)的供電裝置日益成為研究的熱點(diǎn)。摩擦發(fā)電機(jī)因其質(zhì)量輕、體積小、易調(diào)控等特點(diǎn)，成為未來(lái)對(duì)小型便攜式電器設(shè)備供電的首選。

現(xiàn)有的摩擦發(fā)電機(jī)普遍存在輸出功率小、輸出穩(wěn)定性差等問(wèn)題，極大地限制了摩擦發(fā)電機(jī)在實(shí)際生產(chǎn)、生活中的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題是提供了一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且設(shè)計(jì)合理的多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)采用韌性較好的柔性材料作為折疊式基底，同時(shí)在折疊式基底與摩擦層之間添加海綿層以保證相鄰摩擦層的充分接觸，主要用于解決振動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)中機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能時(shí)輸出功率小且輸出性能不穩(wěn)定的技術(shù)問(wèn)題。

本發(fā)明為解決上述技術(shù)問(wèn)題采用如下技術(shù)方案，一種多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于包括上支撐板、下支撐板以及連接于上支撐板和下支撐板之間的彈簧，所述上支撐板與下支撐板之間設(shè)有至少一個(gè)摩擦發(fā)電單元，該摩擦發(fā)電單元由固定于上支撐板和下支撐板之間的柔性折疊式基底及間隔設(shè)置于柔性折疊式基底兩側(cè)的第一摩擦單元和第二摩擦單元構(gòu)成，其中柔性折疊式基底上相接觸的摩擦單元分別為第一摩擦單元和第二摩擦單元，所述上支撐板和下支撐板是發(fā)電機(jī)工作時(shí)受外部振動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)的受力面，彈簧提供輔助回彈的彈力使機(jī)械振動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)持續(xù)進(jìn)行，第一摩擦單元和第二摩擦單元在外力作用下作相互接觸分離運(yùn)動(dòng)。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述柔性折疊式基底的兩端分別疊壓固定于上支撐板和下支撐板上，柔性折疊式基底在上支撐板和下支撐板的疊壓部位分別設(shè)有第一摩擦單元或第二摩擦單元。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述第一摩擦單元由固定于柔性折疊式基底上的第一摩擦層構(gòu)成，第二摩擦單元由依次固定于柔性折疊式基底上的金屬電極板和第二摩擦層構(gòu)成，其中第一摩擦層為束縛電子能力弱的金屬導(dǎo)電層，第二摩擦層為束縛電子能力強(qiáng)的非金屬絕緣層。

進(jìn)一步優(yōu)選，多個(gè)第一摩擦單元的金屬導(dǎo)電層并聯(lián)，多個(gè)第二摩擦單元的金屬電極板并聯(lián)。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述第一摩擦單元由依次固定于柔性折疊式基底上的海綿層和第一摩擦層構(gòu)成。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述第一摩擦層的材質(zhì)為鋁、銅或任意比例的銅鋁合金，第一摩擦層的厚度為50μm-1mm，第二摩擦層的材質(zhì)為聚四氟乙烯，第二摩擦層的厚度為50μm-1mm，金屬電極板的材質(zhì)為鋁或銅。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述第二摩擦層進(jìn)行電荷注入預(yù)處理。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述柔性折疊式基底的材質(zhì)為聚酰亞胺柔性薄膜，該柔性折疊式基底的厚度為50μm-1mm。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述支撐板為亞克力板。

進(jìn)一步優(yōu)選，所述第一摩擦層和第二摩擦層的接觸面積相等。

本發(fā)明多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)在外部振動(dòng)或往復(fù)運(yùn)動(dòng)及彈簧輔助力的作用下第一摩擦單元和第二摩擦單元不斷接觸分離，使摩擦特性相差較大的第一摩擦層與第二摩擦層產(chǎn)生正負(fù)靜電荷，靜電經(jīng)誘導(dǎo)使所述摩擦層對(duì)應(yīng)電極板間形成電勢(shì)差，連接外部負(fù)載產(chǎn)生電流。

本發(fā)明設(shè)計(jì)并制作的新型多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)，第二摩擦單元的第二摩擦層均進(jìn)行了電荷注入預(yù)處理，大大提高了該摩擦層電荷密度和輸出功率；發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)為多層柔性折疊式設(shè)計(jì)，在有限的伸縮或振動(dòng)空間內(nèi)，摩擦層數(shù)大大提高，且各摩擦層嚴(yán)格在同一時(shí)間發(fā)生接觸和分離，增大了輸出電流并且提高了輸出的穩(wěn)定性，發(fā)電機(jī)整體輸出特性顯著提升；另外，考慮到摩擦層數(shù)較多可能會(huì)導(dǎo)致各接觸面接觸不充分，故在各摩擦單元的基底上添加海綿層，保證各摩擦層受力均勻，摩擦接觸面接觸更充分，提高輸出電流和電壓的穩(wěn)定性。

本發(fā)明多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)的輸出特性由摩擦單元數(shù)量、往復(fù)運(yùn)動(dòng)或振動(dòng)頻率、摩擦層有效摩擦面積及兩種摩擦層材料特性等因素共同決定，目前本發(fā)明設(shè)計(jì)的發(fā)電機(jī)可實(shí)現(xiàn)六個(gè)摩擦接觸層最佳輸出短路電流和開(kāi)路電壓分別為800μa和1000v（每個(gè)摩擦層的有效接觸面積為56cm²）。

本發(fā)明的多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)具有輸出電流大、輸出電壓高、結(jié)構(gòu)原理簡(jiǎn)單、制作成本低廉、耐磨耐用、輸出性能穩(wěn)定、輸出的電流和電壓可以通過(guò)調(diào)節(jié)摩擦層數(shù)量進(jìn)行控制等特點(diǎn)，該結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機(jī)對(duì)周?chē)h(huán)境中的振動(dòng)及往復(fù)性運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的能量均能夠有效收集。

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下有益效果：

1、通過(guò)對(duì)兩種摩擦層在結(jié)構(gòu)上實(shí)現(xiàn)折疊式多層接觸的設(shè)計(jì)，保證各摩擦層嚴(yán)格在同一時(shí)間進(jìn)行接觸與分離，保證各摩擦層輸出性能同步且一致，極大提高了摩擦發(fā)電機(jī)輸出電流及電壓的穩(wěn)定性，折疊式柔性結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)在有限的空間內(nèi)保證有效接觸摩擦接觸面積最大化，極大提高了輸出性能；

2、所述聚合物摩擦層均通過(guò)高壓極化設(shè)備進(jìn)行了電荷預(yù)注入處理，使用這種方法可以顯著提高摩擦層的耐磨性、增大摩擦層表面電荷密度，與對(duì)摩擦層或電極板表面做微納結(jié)構(gòu)處理的方法相比有更高的輸出性能，且在很大程度上降低了發(fā)電機(jī)的制作成本和工藝難度，更有利于應(yīng)用推廣；

3、所述基底上添加的海綿層，是考慮到發(fā)電機(jī)摩擦層接觸面積較大，可能存在工作過(guò)程中受力不均勻進(jìn)而影響輸出性能的現(xiàn)象，通過(guò)添加海綿作為緩沖層，能夠保證各摩擦層接觸更充分，使發(fā)電機(jī)輸出性能更加穩(wěn)定。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是圖1中a處的局部放大圖；

圖3是本發(fā)明中摩擦發(fā)電單元的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4是本發(fā)明電流產(chǎn)生原理示意圖；

圖5是本發(fā)明電壓產(chǎn)生原理示意圖；

圖6是本發(fā)明的短路電流圖；

圖7是本發(fā)明的電壓波形曲線。

圖中：1、支撐板，2、柔性折疊式基底，3、海綿層，4、第一摩擦層或金屬電極板，5、第二摩擦層，6、彈簧。

具體實(shí)施方式

以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行詳細(xì)、完整地描述。應(yīng)當(dāng)注意的是，此處所描述的具體實(shí)施方式僅用于說(shuō)明和解釋本發(fā)明，并不用于限制本發(fā)明。

在本發(fā)明中，在未作相反說(shuō)明的情況下，使用的方位詞如“上、下”是指示圖中的方向；“填充度”定義為接觸和分離過(guò)程中形成的面積。

如圖1-3所示，多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)，包括至少一個(gè)第一摩擦單元、至少一個(gè)第二摩擦單元、用于連接第一摩擦單元和第二摩擦單元的柔性折疊式基底、支撐板1和彈簧6，所述第一摩擦單元包括海綿層3和第一摩擦層4，其中海綿層3覆蓋在柔性折疊式基底2上，第一摩擦層4覆蓋在海綿層3上，所述第二摩擦單元包括金屬電極板4和第二摩擦層5，其中金屬電極板4覆蓋在柔性折疊式基底2上，第二摩擦層5覆蓋在金屬電極板4上，所述柔性折疊式基底2連接第一摩擦單元與第二摩擦單元，為保證發(fā)電機(jī)各摩擦層受力均勻，將第一摩擦層4通過(guò)疊壓在支撐板1上的柔性折疊式基底2固定于支撐板1上，并且引入彈簧6，彈簧6兩端均固定在支撐板1上，在振動(dòng)或往復(fù)外力作用下，第一摩擦層4與第二摩擦層5發(fā)生同步接觸與分離運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生摩擦靜電荷。本發(fā)明中采用柔性折疊結(jié)構(gòu)的所有摩擦層同步進(jìn)行接觸與分離，增加了摩擦層接觸分離的數(shù)量；第二摩擦層均在高壓極化設(shè)備下進(jìn)行電荷預(yù)注入處理；第一摩擦單元均加入海綿層3，這三種特點(diǎn)的結(jié)合大大提高了所述發(fā)電機(jī)的輸出性能，且穩(wěn)定性?xún)?yōu)于類(lèi)似結(jié)構(gòu)發(fā)電機(jī)。

本實(shí)施方式中，所述第一摩擦層和金屬電極板均由金屬材料制成，所選用的金屬材料包括銅、鋁或兩者的任意比例合金，所述支撐板為亞克力板。

所述第一摩擦層的面積均相同，并且通過(guò)導(dǎo)線并聯(lián)；所述各第二摩擦層與其連接的金屬電極板面積均相等，并且各金屬電極板通過(guò)導(dǎo)線并聯(lián)。

本實(shí)施方式中，所述第一摩擦層與第二摩擦層的材料由摩擦特性相差較大的薄膜材料制成，第一摩擦層為銅、鋁或任意比例的銅鋁合金，優(yōu)選為銅，第二摩擦層為聚四氟乙烯。所述多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)的摩擦層外形、材質(zhì)和尺寸大小均可調(diào)節(jié)，如外形可選平面長(zhǎng)方形、平面正方形等。

本實(shí)施方式所述的多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)的工作原理為：在任意頻率的往復(fù)外力或振動(dòng)環(huán)境下，各第一摩擦層與第二摩擦層同時(shí)相互接觸與分離，由于各摩擦層材料在接觸時(shí)會(huì)在某部分表面形成化學(xué)鍵，電荷由一個(gè)表面轉(zhuǎn)移到另一個(gè)表面，為了達(dá)到電勢(shì)平衡就產(chǎn)生摩擦電荷。

如圖4所示，將第一摩擦單元中第一摩擦層與第二摩擦單元中和第二摩擦層連接的金屬電極板用導(dǎo)線連接起來(lái)，當(dāng)帶電摩擦層接觸或分離時(shí)，檢測(cè)到電流。如圖5所示，當(dāng)兩金屬摩擦層電極板未用導(dǎo)線接通時(shí)，兩摩擦層金屬電極板間存在電勢(shì)差，監(jiān)測(cè)到電壓。當(dāng)兩個(gè)電極板之間連接負(fù)載，發(fā)電機(jī)在外部往復(fù)外力作用下運(yùn)動(dòng)檢測(cè)到有往復(fù)的電流流經(jīng)負(fù)載。

下面給出一種制造該實(shí)施方式的多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)的方案，但該多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)的制造并不僅限于此。

該方案中：選擇亞克力板作為支撐板，支撐板尺寸：188mm×108mm×4mm；選擇面積相同的金屬電極板和海綿層，尺寸均為：80mm×70mm，金屬電極板材質(zhì)為銅，厚度為0.1mm，海綿層厚度為2mm；第二摩擦層材質(zhì)為聚四氟乙烯，厚度為0.05mm，覆蓋程度為100%。

根據(jù)上述對(duì)多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)工作原理的說(shuō)明，按上述優(yōu)選方案設(shè)計(jì)制造的多層折疊式摩擦發(fā)電機(jī)的摩擦接觸單元數(shù)為6個(gè)，采用左右對(duì)稱(chēng)的結(jié)構(gòu)。所述發(fā)電機(jī)在頻率3hz，振幅50mm的作用下做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，如圖6與圖7所示為該多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)的輸出性能，短路電流最大可達(dá)800μa，最大開(kāi)路電壓可達(dá)1000v。

利用該多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)作為電化學(xué)氧化甲基黃的電源時(shí)，發(fā)現(xiàn)反應(yīng)體系迅速由紅色變?yōu)闊o(wú)色，實(shí)現(xiàn)了利用摩擦發(fā)電機(jī)發(fā)電對(duì)有機(jī)分子進(jìn)行電化學(xué)氧化，有望實(shí)現(xiàn)對(duì)環(huán)境中有機(jī)污染物尤其是有害自由基的自驅(qū)動(dòng)治理。

由此，可知本發(fā)明的多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、成本低廉、輸出功率高、輸出性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)。與此同時(shí)，所述發(fā)電機(jī)可以通過(guò)結(jié)構(gòu)改變調(diào)整摩擦層數(shù)量，從而控制其輸出性能。本發(fā)明所述多層柔性折疊式摩擦發(fā)電機(jī)可以適用于寬波段的振動(dòng)頻率，故其應(yīng)用范圍很廣。

以上實(shí)施例描述了本發(fā)明的基本原理、主要特征及優(yōu)點(diǎn)，本行業(yè)的技術(shù)人員應(yīng)該了解，本發(fā)明不受上述實(shí)施例的限制，上述實(shí)施例和說(shuō)明書(shū)中描述的只是說(shuō)明本發(fā)明的原理，在不脫離本發(fā)明原理的范圍下，本發(fā)明還會(huì)有各種變化和改進(jìn)，這些變化和改進(jìn)均落入本發(fā)明保護(hù)的范圍內(nèi)。