專利名稱：一種摩擦發(fā)電機以及摩擦發(fā)電機機組的制作方法
技術領域：
一種摩擦發(fā)電機以及摩擦發(fā)電機機組技術領域[0001 ] 本發(fā)明涉及一種摩擦發(fā)電機以及摩擦發(fā)電機機組，尤其是涉及一種利用納米壓電 材料制成的摩擦發(fā)電機以及摩擦發(fā)電機機組。
背景技術：
[0002]采用納米技術的能量收集和轉換裝置由于其獨特的自發(fā)電和自驅動性質，很可能 在制造和驅動自供電納米器件和納米系統(tǒng)裝置中起到關鍵性的作用，最近受到了各國研究 人員越來越多的關注。2006年，美國佐治亞理工學院王中林教授研究組首次成功實現(xiàn)了利 用氧化鋅納米線將機械能轉化成電能的壓電式納米發(fā)電機。隨后，以壓電效應為基礎，基于 不同材料和結構的各種納米發(fā)電機被相繼研制出來。目前，納米發(fā)電機的輸出功率足以驅 動商用發(fā)光二極管(LED)、小型液晶顯示器、甚至自供電無線數(shù)據(jù)傳送設備。功率密度也已 經(jīng)達到了 1-lOmW/cm3。[0003]通常來講，發(fā)電機是一種能夠生成電荷，將正負電荷分開，并用電勢產(chǎn)生的電荷驅 動自由電子流的方法，它能夠以電磁、壓電、熱電、甚至靜電效應為基礎。納米發(fā)電機依靠氧 化鋅納米線所生成的壓電電勢實現(xiàn)了發(fā)電。另一方面，摩擦電和靜電現(xiàn)象是一種非常普遍 的現(xiàn)象，存在于我們日常生活中各個層面，從走路到開車等等。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。如果我們能夠通過一種新的方法收集摩擦產(chǎn)生的電 能或者利用該方法將日常生活中不規(guī)則的動能轉成能夠利用的電能，將對我們的日常生活 產(chǎn)生重要影響。截止到目前為止，靜電微型發(fā)電機已被研制成功，并且在微機電(MEMS)領 域得到廣泛應用。但是微型靜電發(fā)電機的設計主要以無機硅材料為基礎，并且器件的制造 需要復雜的工藝和精密的操作。整個裝置的制備需要大型的儀器設備和特殊的生產(chǎn)條件， 造價成本過高，不利于發(fā)電機的商業(yè)化和日常應用。中國專利申請?zhí)枮?00910080638. X，公 開了一種旋轉摩擦發(fā)電機，該發(fā)電機利用摩擦生電現(xiàn)象來發(fā)電，外殼內壁的定子摩擦材料 與轉子軸筒外壁的轉子摩擦材料緊密接觸，通過旋轉轉子軸筒，使定子摩擦材料和轉子摩 擦材料間旋轉摩擦，產(chǎn)生電流，并由轉子輸出端引出。但是該旋轉摩擦發(fā)電機需要特定的機 械能帶動，不能用于收集和轉換不規(guī)則的動能，如人體肌肉部分的運動及無序的風能等，并 且該裝置發(fā)電效率不高。發(fā)明內容[0004]本實用新型為解決現(xiàn)有技術中的問題而提供了一種應用環(huán)境更廣、發(fā)電效率更高 的摩擦發(fā)電機。[0005]本實用新型提供了一種摩擦發(fā)電機，包括第一電極和第二電極，所述第一電極包 括第一高分子聚合物絕緣層，所述第一高分子聚合物絕緣層一側表面為微納凹凸結構，另 一側表面設置有金屬薄膜；所述第二電極包括第二高分子聚合物絕緣層，所述第二高分子 聚合物絕緣層一側表面為微納凹凸結構，另一側表面設置有金屬薄膜；所述第一電極微納 凹凸結構的表面與第二電極微納凹凸結構的表面正對貼合并通過外側邊緣固定連接；所述第一高分子聚合物絕緣層上的金屬薄膜與第二高分子聚合物絕緣層上的金屬薄膜為摩擦發(fā)電機電壓和電流輸出電極。[0006]本實用新型還提供一種摩擦發(fā)電機組，由本實用新型的單體摩擦發(fā)電機進行串聯(lián)或者并聯(lián)組成，以提高輸出電流或單位面積的輸出功率。[0007]所述高分子聚合物絕緣層選自聚酰亞胺薄膜、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、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸鹽薄膜中的一種，但所述第一高分子聚合物絕緣層與所述第二高分子聚合物絕緣層材質不同。這是由于第一電極的第一高分子聚合物絕緣層與第二電極的第二高分子聚合物絕緣層材質如果相同，會導致摩擦起電的電荷量很小。上述薄膜用于本實用新型以實現(xiàn)摩擦起電。[0008]所述第一電極和第二電極分別構成為通過使其任意彎曲、變形而產(chǎn)生所述電極摩擦起電的柔性平板結構。柔性平板結構能夠擴大摩擦發(fā)電機的應用環(huán)境，收集和轉換不規(guī)則的動能，如人體肌肉部分的運動及無序的風能等。[0009]所述第一高分子聚合物絕緣層與第二高分子聚合物絕緣層表面的微納凹凸結構為微小的凹凸結構。更優(yōu)選是納米級至微米機的凹凸結構；微納特別優(yōu)選為納米級的凹凸， 大小為50nm-300nm，納米凹凸摩擦接觸面積大，能夠提高摩擦起電效率。[0010]所述第一電極與第二電極的外側邊緣能夠通過膠帶等方式連接。[0011]所述第一高分子聚合物絕緣層與第二高分子聚合物絕緣層上的金屬薄膜通過真空濺射法或蒸鍍法鍍于絕緣 層表面。所述金屬薄膜能夠是任何一種導電的材料，如透明導電薄膜、導電高分子、不銹剛等；優(yōu)選為金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、烙、硒中的一種，厚度優(yōu)選為50nm-200nm。上述導電的材料均是本領域所熟知的材料。[0012]本實用新型提供的摩擦電發(fā)電機依靠摩擦電電勢的充電泵效應，這是一種簡單、低成本和可大規(guī)模生產(chǎn)的方法。以雙層結構為基礎，電輸出達到峰值電壓3. 3V，電流 O. 6 μ A，峰值功率密度10. 4mW/cm3。與已有的其它微型能量收集方法相比，本實用新型的摩擦電發(fā)電機有以下幾個獨特的優(yōu)勢。首先，這是一種以新穎的原理和方法為基礎的新型發(fā)電機，它很可能會為有機電子器件和柔性電子學的研究和應用開辟新的研究領域；其次，整個器件的制造工藝不需要昂貴的原材料和先進的制造設備，這將有利于它大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)和實際應用。最后，該裝置以柔性聚合物片為基礎，易加工，器件的使用壽命長，并且容易和其它加工工藝集成。摩擦電發(fā)電機展示出它良好的應用前景，能夠從人類活動、輪胎轉動、 海浪、機械振動等眾多不規(guī)則活動中獲得能量，能為個人電子產(chǎn)品、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)學科學等提供自供電和自驅動設備，有著巨大的商用和實用潛力。


[0013]圖1為本實用新型摩擦發(fā)電機的結構示意圖。[0014]圖2為本實用新型摩擦發(fā)電機的絕緣層表面的微納凹凸結構示意圖。[0015]圖3為本實用新型摩擦發(fā)電機的發(fā)電過程電荷變化示意圖。[0016]圖中1_金屬薄膜，2-第一高分子聚合物絕緣層，3-第二高分子聚合物絕緣層， 4-絕緣層表面的微納凹凸結構。
具體實施方式
[0017]下面，結合附圖對本實用新型的具體實施方式
做進一步說明。[0018]附圖表示一個以高分子聚合物為基礎的摩擦發(fā)電機的典型結構。摩擦發(fā)電機就像一個由兩種不同聚合物片組成的三明治結構，兩個聚合物片相互堆疊在一起，層間沒有任何粘合物。如圖1所示，一個矩形的(4. 5cmX1. 2cm)聚酰亞胺薄膜(厚度125 μ m,杜邦 500HN,附圖3中的Kapton)作為第一電極的高分子聚合物絕緣層3，放置在第二高分子聚合物絕緣層2柔性聚酯薄膜基底(厚度220 μ m，附圖3中PET)上。該器件的兩個短的邊緣用普通膠布密封，來保證兩個聚合物絕緣層的適度接觸。該結構頂部和底部的兩個表面通過濺射涂膜的方法鍍有合金金屬薄膜I (厚度lOOnm，附圖3中Au)作電極。金屬薄膜在這里起兩個重要作用(I)能夠感應兩高聚物片界面區(qū)由于摩擦產(chǎn)生的電勢變化，生成等量但電性相反的移動電荷；(2)作為發(fā)電機的正負電極直接與外電路連接，是摩擦發(fā)電機的電壓和電流的輸出電極。該器件的整個制備工藝簡單，能夠大規(guī)模生產(chǎn)。因此，本實用新型是能夠在較低成本、較少原材料和加工工序的條件下實現(xiàn)。[0019]如圖2所示，柔性的聚酰亞胺薄膜和聚酯薄膜基底的表面上具有微納凹凸結構4， 該微納凹凸結構4能夠增加摩擦阻力，提高發(fā)電效率。該微納凹凸結構4能夠在薄膜制備時直接形成，也能夠用打磨的方法使將高分子聚合物薄膜的表面形成不規(guī)則的微納凹凸結構。[0020]圖3是摩擦發(fā)電機發(fā)電原理的圖解。當外力作用于器件上時，兩高聚物層產(chǎn)生形變，并且在界面的區(qū)域發(fā)生互相接觸和摩擦。外力機械作用使得兩個聚合物層發(fā)生相對滑動。低程度摩擦所造成的結果是，由于兩聚合物膜表面粗糙度的存在，等量但電性相反的靜電荷在界面處生成并分布在兩個不同聚合物膜表面上，聚酯薄膜表面主要帶正電荷，而聚酰亞胺薄膜表面主要帶負電荷，這樣就在界面處形成了一個稱之為摩擦電勢的偶極層。而該偶極層在兩個平面金屬極板間就形成一個內電勢。由于聚合物膜本身是絕緣的，所以感生電荷不會被迅速導走或中和。為了抵消內電勢生成對整個系統(tǒng)的影響，金屬極板將分別感應出電性相反的自由電荷，而感應到的自由電荷在外電路導通的情況下將發(fā)生中和，通過負載進而形成外電流。當外力作用消失時，兩聚合物膜由彎曲狀態(tài)恢復到平整狀態(tài)，這個過程中再次發(fā)生相對滑動和摩擦，偶極層由于界面處電荷的中和而改變，內電勢同時改變。 內電勢的改變將再次導致兩個金屬極板發(fā)生感應，產(chǎn)生與彎曲狀態(tài)完全相反的自由電荷。 自由電荷流經(jīng)外電路負載時，再次形成與彎曲情況下相反的外電流。通過反復摩擦和恢復， 就能夠在外電路中形成周期性的交流電信號。[0021]對圖2中的發(fā)電過程進一步詳細描述，第一步是摩擦過程，在界面區(qū)域產(chǎn)生局域電荷，形成內電勢。第二步是感應過程，當器件產(chǎn)生機械形變時，兩金屬極板間的距離發(fā)生改變，造成內電容的改變以及內電勢的產(chǎn)生，進而會導致兩金屬極板發(fā)生自由電荷的重新分布，自由電荷流經(jīng)外電路負載時形成外電流。只有當兩個電極間有電勢差時才會形成自由電荷的移動而產(chǎn)生電流，而電勢差正是由于摩擦起電效應引起的。第三步是中和過程，到外部作用力消失時，兩高聚物膜的恢復到原來狀態(tài)。兩金屬極板的間距恢復到原來狀態(tài)，內電容再次發(fā)生改變，內電勢由于電荷的相互中和而減弱或消失。之前已經(jīng)達到電勢平衡的兩個金屬極板再次產(chǎn)生電勢差。第四步是恢復過程，自由電荷在電勢差的驅動下流經(jīng)外電路，形成電流，直到兩個金屬極板的電勢相等。在這個過程中形成與器件形變時電性符號相反的外部電流。整個過程就是摩擦電發(fā)電機輸出交流電信號的過程。最終，發(fā)電機在摩擦力被移除時，兩個高聚物膜就會恢復它們的初始形狀，電荷分布也恢復到原始狀態(tài)。整個發(fā)電過程參見附圖2示意。[0022]在本實施例中，為表征聚合物摩擦電發(fā)電機的性能，對該器件的電學性能進行了表征。由于兩個金屬電極間聚合物絕緣層的存在，該器件在1-V (電流-電壓)的測量表現(xiàn)出典型的開路特征。使用周期振蕩(O. 33Hz和O. 13%的張力)的步進電機使摩擦電發(fā)電機發(fā)生周期的彎曲和釋放，摩擦電發(fā)電機的最大輸出電壓和電流信號分別達到了 3. 3V和 O. 6 μ A，最大輸出功率密度達到10. 4mW/cm3。[0023]本實用新型摩擦發(fā)電機滿足基本電路連接的線性疊加原理，即無論正向或反向連接到測量裝置時，總的輸出電流能夠以并聯(lián)器件的方式被增強(相同方向)或者減少(相反的方向)。因而能夠通過平行并聯(lián)多個摩擦電發(fā)電機的方式，以及由于摩擦電發(fā)電機薄的面板結構能夠同時裝配多層發(fā)電機，以此來增大輸出電流。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。[0024]以上，本實用新型的實施方式展示了一種利用摩擦作用獲得能量的革新而有效的方法。摩擦電發(fā)電機依靠內部摩擦起電電勢的變化以及兩側金屬極板的誘導效應產(chǎn)生電能，它是一種簡單、高效和低成本的方法。本實用新型并不限于上述實施方式，在不背離實用新型的實質內容的情況下，本領域技術人員可以想到的任何變形、改進、替換均落入本實用新型的范圍。
權利要求1.一種摩擦發(fā)電機，其特征在于，包括第一電極和第二電極，所述第一電極包括第一高分子聚合物絕緣層，所述第一高分子聚合物絕緣層一側表面為微納凹凸結構，另一側表面設置有金屬薄膜；所述第二電極包括第二高分子聚合物絕緣層，所述第二高分子聚合物絕緣層一側表面為微納凹凸結構，另一側表面設置有金屬薄膜；所述第一電極微納凹凸結構上的表面與所述第二電極微納凹凸結構的表面正對貼合并通過外側邊緣固定連接；所述第一高分子聚合物絕緣層的金屬薄膜與所述第二高分子聚合物絕緣層上的金屬薄膜均為摩擦發(fā)電機的電壓和電流輸出電極。
2.根據(jù)權利要求1所述的摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一高分子聚合物絕緣層和所述第二高分子聚合物絕緣層分別選自聚酰亞胺薄膜、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、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸鹽薄膜中的一種，但所述第一高分子聚合物絕緣層材質與所述第二高分子聚合物絕緣層材質不同。
3.根據(jù)權利要求1所述的摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一電極和所述第二電極分別構成為通過任意彎曲或變形能夠產(chǎn)生摩擦起電的柔性平板結構。
4.根據(jù)權利要求1所述的摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一高分子聚合物絕緣層與所述第二高分子聚合物絕緣層表面的微納凹凸結構均為納米級至微米級的凹凸結構。
5.根據(jù)權利要求1所述的摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一電極與所述第二電極的外側邊緣通過膠帶連接。
6.根據(jù)權利要求1所述的摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一高分子聚合物絕緣層上的金屬薄膜和第二高分子聚合物絕緣層上的金屬薄膜分別通過真空濺射法或蒸鍍法鍍于所述絕緣層表面上。
7.根據(jù)權利要求1所述的摩擦發(fā)電機，所述金屬薄膜的材質為金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、烙、硒中的一種。
8.—種摩擦發(fā)電機機組，其特征在于，由權利要求1-7所述的單體摩擦發(fā)電機并聯(lián)或串聯(lián)組成。
專利摘要本實用新型提供了一種摩擦發(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表面為微納凹凸結構，另一側表面設置有金屬薄膜，該絕緣層電極微納凹凸結構的表面與另一個絕緣層電極微納凹凸結構的表面正對貼合并通過外側邊緣固定連接；金屬薄膜為摩擦發(fā)電機電壓和電流輸出電極。本實用新型的摩擦電發(fā)電機依靠內部摩擦起電電勢的變化以及兩側金屬極板的誘導效應產(chǎn)生電能，它是一種簡單、高效和低成本的方法。
文檔編號B32B3/30GK202856656SQ20122021763
公開日2013年4月3日 申請日期2012年5月15日 優(yōu)先權日2012年5月15日
發(fā)明者范鳳茹, 王中林 申請人:納米新能源(唐山)有限責任公司