具有獨(dú)立摩擦結(jié)構(gòu)的三維摩擦納米發(fā)電機(jī)的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及能源轉(zhuǎn)化技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種具有獨(dú)立摩擦結(jié)構(gòu)的三維摩擦納米發(fā)電機(jī)。
【背景技術(shù)】
[0002]社會(huì)經(jīng)濟(jì)的蓬勃發(fā)展，使得人類社會(huì)對(duì)能源的需求越來(lái)越大，不斷開發(fā)各種新型的能源技術(shù)已成為人類文明進(jìn)一步發(fā)展的必由之路。同熱能、光能以及生物化學(xué)能等其他能源相比，機(jī)械能是人們?nèi)粘Ｉ钪凶顬樨S富的環(huán)境能源。摩擦電納米發(fā)電機(jī)利用摩擦電效應(yīng)與靜電效應(yīng)，通過(guò)周期性的接觸分離或者滑動(dòng)/轉(zhuǎn)動(dòng)已經(jīng)成功的應(yīng)用于環(huán)境機(jī)械能量的采集。然而，目前絕大多數(shù)已報(bào)道的摩擦電納米發(fā)電機(jī)都只能在單一方向上工作，無(wú)法采集其它方向上的機(jī)械能量，從而造成極大的浪費(fèi)。因此，開發(fā)出能在各個(gè)方向上工作的摩擦電納米電發(fā)電機(jī)對(duì)提高摩擦納米發(fā)電的轉(zhuǎn)化效率具有重要意義。
[0003]中國(guó)專利CN 103780127 A公開了一種摩擦納米發(fā)電機(jī)，該摩擦納米發(fā)電機(jī)的殼體包括外殼、導(dǎo)電層和摩擦層，芯體包括內(nèi)芯、導(dǎo)電層和摩擦層，這種摩擦納米發(fā)電機(jī)的可以收集機(jī)械能，工作原理是基于兩種具有不同摩擦電特性的材料相互摩擦和分離來(lái)發(fā)電。然而，這種摩擦納米發(fā)電機(jī)的兩個(gè)摩擦材料都需要附上兩個(gè)電極層和兩個(gè)摩擦層，并在摩擦芯體和殼體之間連接導(dǎo)線來(lái)實(shí)現(xiàn)電荷轉(zhuǎn)移，由于摩擦芯體連接有導(dǎo)線，摩擦芯體的自由運(yùn)動(dòng)受到了制約，這不可避免地限制了發(fā)電機(jī)工作的靈活性和適用范圍。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明主要解決現(xiàn)有技術(shù)的摩擦電納米發(fā)電機(jī)工作的靈活性差、應(yīng)用受限制的技術(shù)問(wèn)題，提出一種具有獨(dú)立摩擦結(jié)構(gòu)的三維摩擦納米發(fā)電機(jī)，以使摩擦體真正的實(shí)現(xiàn)自由運(yùn)動(dòng)，簡(jiǎn)化現(xiàn)有納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)，從而降低了制作成本，拓寬摩擦納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍。
[0005]本發(fā)明提供了一種具有獨(dú)立摩擦結(jié)構(gòu)的三維摩擦納米發(fā)電機(jī)，包括:殼體和設(shè)置在殼體內(nèi)部并能在殼體里運(yùn)動(dòng)的多個(gè)摩擦體；
[0006]所述殼體為封閉結(jié)構(gòu)，殼體內(nèi)表面貼附2η片導(dǎo)電片，η為正整數(shù)，且各導(dǎo)電片相互之間不接觸；每一導(dǎo)電片分別與導(dǎo)線連接，導(dǎo)線穿過(guò)殼體并與外部電路連接，任意兩片導(dǎo)電片的通過(guò)各自導(dǎo)線與外部電路構(gòu)成回路；
[0007]所述導(dǎo)電片面向殼體中心的表面材料和所述摩擦體的表面材料之間存在摩擦電極序差異。
[0008]優(yōu)選的，所述摩擦體的表面和/或所述導(dǎo)電片的表面，全部或部分分布有微米或次微米量級(jí)的微結(jié)構(gòu)。
[0009]優(yōu)選的，所述殼體包括球殼或者柱狀殼。
[0010]優(yōu)選的，所述摩擦體的表面材料選自聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚酰胺、纖維素乙酸酯、再生纖維海綿、聚氨酯彈性體、人造纖維、尼龍、硬橡膠、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯柔性海綿、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、酚醛樹脂、氯丁橡膠、丁二烯丙烯共聚物、天然橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙稀。
[0011 ] 優(yōu)選的，所述導(dǎo)電片為導(dǎo)電材料，選自金屬以及導(dǎo)電的非金屬材料。
[0012]優(yōu)選的，所述殼體由輕質(zhì)的柔性或者硬性材料構(gòu)成。
[0013]優(yōu)選的，2η片導(dǎo)電片的形狀和大小相同，且2η片導(dǎo)電片均勾地分布在殼體的內(nèi)表面。
[0014]優(yōu)選的，其特征在于，2η片導(dǎo)電片的表面材料相同，多個(gè)摩擦體的表面材料相同。
[0015]本發(fā)明提供的一種具有獨(dú)立摩擦結(jié)構(gòu)的三維摩擦納米發(fā)電機(jī)，對(duì)其施加任意方向的周期性外力，可以使多個(gè)摩擦體與不同的導(dǎo)電片周期性的接觸-分離，同時(shí)會(huì)在不同的導(dǎo)電片之間形成交流脈沖信號(hào)輸出，并通過(guò)導(dǎo)線傳輸?shù)酵獠侩娐分?，與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有下列優(yōu)點(diǎn):
[0016]1.本發(fā)明的納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用廣泛:其內(nèi)的獨(dú)立的摩擦體，不需要額外附著電極和連接導(dǎo)線，摩擦體表面不需要鍍上金屬電極，讓摩擦體在導(dǎo)電片的表面自由滑動(dòng)或者跳動(dòng)，通過(guò)其間相互摩擦產(chǎn)生靜電電荷，降低了制作成本、簡(jiǎn)化了使用過(guò)程中的電路連接，可真正實(shí)現(xiàn)自由運(yùn)動(dòng)，大大地拓寬了摩擦納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍。
[0017]2.本發(fā)明納米發(fā)電機(jī)的球殼可以在任意方向運(yùn)動(dòng)，且均能使內(nèi)部的摩擦體與不同的導(dǎo)電片之間周期性的接觸-分離，從而在不同的導(dǎo)電片之間產(chǎn)生電信號(hào)的輸出，因此本發(fā)明摩擦納米發(fā)電機(jī)能夠全方位采集所有方向上的機(jī)械能能量，實(shí)現(xiàn)了能量的高效利用。由于本發(fā)明的摩擦電納米發(fā)電機(jī)能夠全方位采集所有方向上的機(jī)械能能量，所有具有廣泛的應(yīng)用的空間。例如，可以將其漂浮在海面上，當(dāng)海浪波動(dòng)時(shí)，其波動(dòng)將傳遞給球殼內(nèi)的小球使其隨之運(yùn)動(dòng)，從而將波浪的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。
[0018]3.本發(fā)明中導(dǎo)電片同時(shí)作為電極和摩擦層使用，降低了制作成本、簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)。
[0019]4.本發(fā)明的納米發(fā)電機(jī)，能量轉(zhuǎn)換效率高，具有巨大的應(yīng)用前景。通過(guò)將無(wú)數(shù)個(gè)該摩擦電納米發(fā)電機(jī)耦合成三維立體網(wǎng)絡(luò)覆蓋在海面上，將可以大規(guī)模采集海洋能量，這可能會(huì)為世界能源需求提供一個(gè)可行的藍(lán)色能源方案。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為具有獨(dú)立摩擦結(jié)構(gòu)的三維摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2a_c為4塊導(dǎo)電片在球殼內(nèi)部分布的三視圖；
[0022]圖3a_b為導(dǎo)電層B和導(dǎo)電層D向外發(fā)電時(shí)的輸出電流與輸出電壓；
[0023]圖4a_b為具有獨(dú)立摩擦結(jié)構(gòu)的三維摩擦納米發(fā)電機(jī)的工作原理示意圖；
[0024]圖5為整流耦合電路的示意圖；
[0025]圖6a_b為輸出電流與輸出電壓隨時(shí)間變化的曲線；
[0026]圖7為具有獨(dú)立摩擦結(jié)構(gòu)的三維摩擦納米發(fā)電機(jī)的發(fā)電效果圖。
[0027]圖中附圖標(biāo)記指代的技術(shù)特征為:
[0028]1、殼體；2、導(dǎo)電片；3、摩擦體。
【具體實(shí)施方式】
[0029]為使本發(fā)明解決的技術(shù)問(wèn)題、采用的技術(shù)方案和達(dá)到的技術(shù)效果更加清楚，下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明?？梢岳斫獾氖?，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對(duì)本發(fā)明的限定。另外還需要說(shuō)明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部?jī)?nèi)容。
[0030]圖1為具有獨(dú)立摩擦結(jié)構(gòu)的三維摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的具有獨(dú)立摩擦結(jié)構(gòu)的三維摩擦納米發(fā)電機(jī)包括:殼體I和設(shè)置在殼體I內(nèi)部并能在殼體I里運(yùn)動(dòng)的多個(gè)摩擦體3 ;所述殼體I為封閉結(jié)構(gòu)，殼體I內(nèi)表面貼附2η片導(dǎo)電片2，η為正整數(shù)，且各導(dǎo)電片2相互之間不接觸；每一導(dǎo)電片2分別與導(dǎo)線連接，導(dǎo)線穿過(guò)殼體I并與外部電路連接，任意兩片導(dǎo)電片2的通過(guò)各自導(dǎo)線與外部電路構(gòu)成回路；所述導(dǎo)電片2面向殼體I中心的表面材料和所述摩擦體3的表面材料之間存在摩擦電極序差異。2η片導(dǎo)電片2形成導(dǎo)電層，多個(gè)摩擦體3可與導(dǎo)電片2摩擦。
[0031]所述殼體包括為球殼、柱狀殼或者其它對(duì)稱的殼體結(jié)構(gòu)。在本實(shí)施例中，摩擦體3為摩擦球，殼體I為球殼。導(dǎo)電片2的數(shù)量為4片。摩擦體3為納米發(fā)電機(jī)提供了一個(gè)摩擦表面，其表面由絕緣材料構(gòu)成，而導(dǎo)電片2面向殼體球心的表面由導(dǎo)電材料構(gòu)成，選自金屬材料和導(dǎo)電的非金屬材料，其中，常用的金屬包括:金、銀、鋁、鉑、銅、鈦、鉻等以及上述金屬形成的合金，導(dǎo)電的非金屬材料包括:銦錫氧化物、有機(jī)導(dǎo)體或摻雜半導(dǎo)體；導(dǎo)電層可以采用導(dǎo)電的薄層或薄片直接切割而成。導(dǎo)電層一般由偶數(shù)個(gè)導(dǎo)電片構(gòu)成，每片導(dǎo)電片2面積保持一致。摩擦體3表面材料應(yīng)選自與導(dǎo)電片2有較大摩擦電性質(zhì)差異的絕緣材料。所以，可以根據(jù)實(shí)際需要，可以選擇具有負(fù)極性摩擦典型值的材料。例如:聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚酰胺、纖維素乙酸酯、再生纖維海綿、聚氨酯彈性體、人造纖維、尼龍、硬橡膠、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯柔性海綿、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯、酚醛樹脂、氯丁橡膠、丁二烯丙烯共聚物、天然橡膠、聚甲基丙烯酸甲酯、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯或聚氯乙烯。
[0032]本發(fā)明中所述的摩擦電極序差異，是指根據(jù)不同材料在相互摩擦或者接觸的過(guò)程中顯現(xiàn)出來(lái)的得失電子的能力的差異，即兩種材料摩擦或接觸時(shí)，一種材料帶正電荷，另一種材料帶負(fù)電荷，即兩種材料的摩擦電性質(zhì)不同。例如:導(dǎo)電片的材料選擇為鋁箔，摩擦體的材料選為聚四氟乙稀，鋁箔既作摩擦層又做電極。根據(jù)摩擦電序列，材料鋁箔的序列排在聚四氟乙烯之前，因此當(dāng)聚四氟乙烯摩擦球與球殼內(nèi)的鋁箔接觸時(shí)，鋁箔電極表面失去電子，而聚四氟乙烯摩擦球表面得到電子。因?yàn)榫鬯姆蚁┠Σ燎蚴墙^緣體，其表面的摩擦電荷會(huì)保持很長(zhǎng)時(shí)間，因此在摩擦球與鋁箔充分摩擦后，所有摩擦球表面都將帶上負(fù)電荷，且電荷密度基本保持不變。
[0033]本實(shí)施例中，摩擦體3被置于所述殼體I內(nèi)部空間，在外力作用下，所述殼體I在任意方向運(yùn)動(dòng)時(shí)，所述殼體I帶動(dòng)摩擦體3在殼體I內(nèi)部空間自由運(yùn)動(dòng)；摩擦體3與不同的導(dǎo)電片2周期性的接觸-分離產(chǎn)生電信號(hào)，并通過(guò)導(dǎo)線將電信號(hào)輸出到外部電路，并且任意兩片導(dǎo)電片2的通過(guò)各自導(dǎo)線與外部電路構(gòu)成回路。在外力的作用下摩擦體3與不同的導(dǎo)電片Α、B、C、D周期性的接觸-分離，從而通過(guò)不同的導(dǎo)電片2向球殼外部的整流電路輸出電信號(hào)。該三維摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)還包括與摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)相關(guān)的電極引線，其中任意兩根引線可以引出產(chǎn)生相應(yīng)信號(hào)。
[0034]在本實(shí)施例中，4片導(dǎo)電片的形狀和大小相同，且多個(gè)導(dǎo)電片均勾地分布在殼體的內(nèi)表面。4片導(dǎo)電片的表面材料相同，多個(gè)摩擦體的表面材料相同。另外，還可以對(duì)摩擦體3表面和/或?qū)щ娖?表面進(jìn)行物理改性，使其表面分布有微米或次微米量級(jí)的微結(jié)構(gòu)陣列，以增加摩擦體3表面和導(dǎo)電層等