基于摩擦纳米发电机的极化系统和极化方法技术方案

一种基于摩擦纳米发电机的极化系统，包括：摩擦纳米发电机，用于在外界驱动力的作用下产生交流电势；整流器，用于将交流电势转换为施加于待极化样品的直流脉冲极化电压，实现待极化样品的极化。相应的，还公开一种基于摩擦纳米发电机的极化方法。本公开由于采用摩擦纳米发电机作为供电设备，由于摩擦纳米发电机的大电压、小电流的特点，能够大大降低高压极化系统的安全隐患，且构成的极化系统体积小、制作简单、能耗低，极化得到的器件压电系数及热释电系数高。

Polarization System and Polarization Method Based on Friction Nanogenerators

A polarization system based on friction nano-generators includes: friction nano-generators, which are used to generate alternating current potential under external driving force; rectifiers, which are used to convert alternating current potential into DC pulse polarization voltage applied to the sample to be polarized, to realize the polarization of the sample to be polarized. Correspondingly, a polarization method based on friction nanogenerators is also disclosed. Due to the use of friction nano-generator as power supply equipment and the characteristics of high voltage and low current of friction nano-generator, the potential safety hazards of high voltage polarization system can be greatly reduced. The polarization system is small in size, simple in fabrication, low in energy consumption, and the piezoelectric coefficient and pyroelectric coefficient of the device obtained by polarization are high.

【技术实现步骤摘要】
基于摩擦纳米发电机的极化系统和极化方法
本公开属于材料极化领域，更具体地涉及一种基于摩擦纳米发电机的极化系统和极化方法。
技术介绍
纳米发电机可以将机械能转成电能，从而用于驱动各类传感器；且由于纳米发电机具有体积小、制作成本较低和安装方便等特点，使得其成为当今的研究热点。另外摩擦纳米发电机具有输出电压高、输出电流低的特点，可广泛用于替代高压低流的设备。目前，现有的用于极化陶瓷片的仪器体积庞大、能耗高、且有高压安全隐患。而摩擦纳米发电机由于其突出的特点有望解决商用极化仪器的缺陷，且目前，对于摩擦纳米发电机用于极化铁电材料的研究还尚未报道。公开内容基于以上问题，本公开的主要目的在于提出一种基于摩擦纳米发电机的极化系统，用于解决以上技术问题的至少之一。为了实现上述目的，本公开提出一种基于摩擦纳米发电机的极化系统，包括：摩擦纳米发电机，用于在外界驱动力的作用下产生交流电势；整流器，用于将交流电势转换为施加于待极化样品的直流脉冲极化电压，实现待极化样品的极化。在本公开的一些实施例中，上述基于摩擦纳米发电机的极化系统还包括：控制器，用于向摩擦纳米发电机提供驱动力；所述驱动力包括风力、旋转力和/或震动力。在本公开的一些实施例中，所述驱动力为风力，上述控制器包括鼓风装置，用于控制风力的大小；计时器，用于控制向摩擦纳米发电机提供风力的时间。在本公开的一些实施例中，上述控制器包括温控加热器，用于控制放置待极化样品的样品池的温度。在本公开的一些实施例中，上述待极化样品包括钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3型化合物的压电陶瓷。在本公开的一些实施例中，上述基于摩擦纳米发电机的极化系统，还包括：升压装置，包括由相同数量的电容器和二极管组成的升压电路，连接于摩擦纳米发电机和整流器之间，用于对摩擦纳米发电机产生的交流电势进行调节控制后传输至整流器，以使整流器转换得到的直流脉冲极化电压与待极化样品相匹配。在本公开的一些实施例中，上述摩擦纳米发电机包括绝缘薄膜层和两个电极层，绝缘薄膜层在外界驱动力的作用下与两个电极层的其中之一或其中另一接触分离摩擦，使两个电极层之间产生交流电势。在本公开的一些实施例中，上述绝缘薄膜层的材质包括氟化乙烯丙烯共聚物、聚酰亚胺或尼龙；和/或电极层的材质包括金属材料和半导体材料。在本公开的一些实施例中，上述摩擦纳米发电机还包括支撑架，该支撑架包括上下两个支撑板；两个电极层分别固定于两个支撑板的相对面；绝缘薄膜层置于两个电极层之间，以在驱动力作用下，在两个支撑板之间的空间内上下运动，与两个电极层的其中之一或其中另一接触分离摩擦。在本公开的一些实施例中，上述上下两个支撑板通过弹簧、若干个支撑片或与两个支撑板一体成型的支撑杆支撑连接。在本公开的一些实施例中，上述上下两个支撑板通过与两个支撑板一体成型的支撑杆支撑连接，该支撑杆包括相对的至少一组支撑杆；至少一组支撑杆在介于上下两个支撑板之间的区域具有开口，用于固定绝缘薄膜层；优选地，该绝缘薄膜层贴合于固定其的至少一组支撑杆的外侧面并延伸至上支撑板的上表面，以增强该绝缘薄膜层的稳定性。在本公开的一些实施例中，上述上下两个支撑板通过弹簧固定连接，弹簧包括相对的至少一组弹簧组件；绝缘薄膜层固定于下支撑板上的电极层、靠近上支撑板的表面；绝缘薄膜层以弹簧的弹力作为驱动力。在本公开的一些实施例中，上述两个电极层的其中之一固定于绝缘薄膜层的上/下表面，则该绝缘薄膜层在驱动力作用下与两个电极层的其中另一接触分离摩擦。在本公开的一些实施例中，上述两个电极层和绝缘薄膜层为叶片型结构，通过旋转接触分离摩擦。在本公开的一些实施例中，上述摩擦纳米发电机的输出电压范围为0～5kV。为了实现上述目的，作为本公开的另一个方面，提出一种基于摩擦纳米发电机的极化方法，包括，摩擦纳米发电机在外界驱动力的作用下产生交流电势；整流器将交流电势转换为施加于待极化样品的直流脉冲极化电压，实现待极化样品的极化；其中，驱动力包括风力、旋转力和/或震动力。在本公开的一些实施例中，上述基于摩擦纳米发电机的极化方法，还包括：将摩擦纳米发电机产生的交流电势进行升压后传输至整流器。在本公开的一些实施例中，上述基于摩擦纳米发电机的极化方法，还包括：控制样品池温度的温控加热步骤。本公开提出的基于摩擦纳米发电机的极化系统和极化方法，具有以下有益效果：1、采用摩擦纳米发电机作为供电设备，由于摩擦纳米发电机的大电压、小电流的特点，能够大大降低高压极化系统的安全隐患，且构成的极化系统体积小、制作简单、能耗低，极化得到的器件压电系数及热释电系数高；2、摩擦纳米发电机可采用多种结构，且驱动其的驱动力可人为施加，也可通过控制器提供，因此对操作条件的要求低，可应用于各种环境下的器件极化；再者，通过控制器可优化驱动力的大小及施加驱动力的时间长度，从而更好的优化极化工艺，得到性能良好的极化器件；3、通过设置连接于摩擦纳米发电机和整流器之间的升压装置，可对输出电压进行调节控制，得到与待极化样品相匹配的电压，因此本公开的极化系统，可用于极化钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3型化合物等多种的压电陶瓷。附图说明图1是本公开一实施例提出的基于摩擦纳米发电机的极化系统的结构示意图；图2(a)是本公开一实施例采用的摩擦纳米发电机的结构示意图；图2(b)是本公开一实施例采用的另一摩擦纳米发电机的结构示意图；图3是本公开另一实施例采用的摩擦纳米发电机的结构示意图；图4是本公开又一实施例采用的摩擦纳米发电机的结构示意图；图5是本公开提出的基于摩擦纳米发电机的极化系统极化待极化样品的示意图；图6(a)是本公开一实例提出的基于摩擦纳米发电机的极化系统的输出电压图；图6(b)是本公开一实例提出的基于摩擦纳米发电机的极化系统的输出电流图；图7(a)是本公开一实例提出的基于摩擦纳米发电机的极化系统在外接可变电阻时电流变化曲线及相应的功率变化曲线图；图7(b)是现有商用高压极化仪在外接可变电阻时电流变化曲线及相应的功率变化曲线图；图8(a)是本公开一实施例提出的基于摩擦纳米发电机的极化系统与商用高压极化仪极化陶瓷片时陶瓷片厚度与得到的极化陶瓷片的压电系数对比图；图8(b)是本公开一实施例提出的基于摩擦纳米发电机的极化系统与商用高压极化仪极化陶瓷片时陶瓷片厚度与得到的极化陶瓷片的热释电系数对比图；图8(c)是本公开一实施例提出的基于摩擦纳米发电机的极化系统与商用高压极化仪极化陶瓷片时，陶瓷片的极化状态与极化后的压电系数对比图；图8(d)是本公开一实施例提出的基于摩擦纳米发电机的极化系统与商用高压极化仪极化陶瓷片时，不同极化状态下陶瓷片厚度与极化后的压电系数对比图；图9(a)是本公开一实施例提出的基于摩擦纳米发电机的极化系统在不同风速下极化得到的陶瓷片的压电系数柱状图；图9(b)是本公开一实施例提出的基于摩擦纳米发电机的极化系统，不同极化时间下得到的陶瓷片压电系数的点图。具体实施方式为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开作进一步的详细说明。本公开旨在提供一种基于摩擦纳米发电机的极化系统和极化方法。当发电机工作时，摩擦材料和电极极板之间，在机械摩擦下产生大量两种不同性质的电荷，从而产生本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于摩擦纳米发电机的极化系统，包括：摩擦纳米发电机，用于在外界驱动力的作用下产生交流电势；整流器，用于将所述交流电势转换为施加于待极化样品的直流脉冲极化电压，实现所述待极化样品的极化。

【技术特征摘要】
1.一种基于摩擦纳米发电机的极化系统，包括：摩擦纳米发电机，用于在外界驱动力的作用下产生交流电势；整流器，用于将所述交流电势转换为施加于待极化样品的直流脉冲极化电压，实现所述待极化样品的极化。2.根据权利要求1所述的基于摩擦纳米发电机的极化系统，还包括：控制器，用于向所述摩擦纳米发电机提供所述驱动力；和/或所述驱动力包括风力、旋转力和/或震动力。3.根据权利要求2所述的基于摩擦纳米发电机的极化系统，其中，所述驱动力为风力，所述控制器包括鼓风装置，用于控制所述风力的大小；计时器，用于控制向所述摩擦纳米发电机提供风力的时间。4.根据权利要求2或3所述的基于摩擦纳米发电机的极化系统，其中，所述控制器包括温控加热器，用于控制放置待极化样品的样品池的温度。5.根据权利要求1至4中任一项所述的基于摩擦纳米发电机的极化系统，其中：所述待极化样品包括钛酸钡系、锆钛酸铅二元系及在二元系中添加第三种ABO3型化合物的压电陶瓷。6.根据权利要求1至5中任一项所述的基于摩擦纳米发电机的极化系统，还包括：升压装置，包括由相同数量的电容器和二极管组成的升压电路，连接于所述摩擦纳米发电机和整流器之间，用于对所述摩擦纳米发电机产生的交流电势进行调节控制后传输至所述整流器，以使所述整流器转换得到的直流脉冲极化电压与所述待极化样品相匹配。7.根据权利要求1至6中任一项所述的基于摩擦纳米发电机的极化系统，其中：所述摩擦纳米发电机包括绝缘薄膜层和两个电极层，所述绝缘薄膜层在外界驱动力的作用下与所述两个电极层的其中之一或其中另一接触分离摩擦，使所述两个电极层之间产生交流电势。8.根据权利要求7所述的基于摩擦纳米发电机的极化系统，其中，所述绝缘薄膜层的材质包括氟化乙烯丙烯共聚物、聚酰亚胺或尼龙膜；和/或所述电极层的材质包括金属材料或半导体材料。9.根据权利要求7或8所述的基于摩擦纳米发电机的极化系统，其中：所述摩擦纳米发电机还包括支撑架，该支撑架包括上下两个支撑板；所述两个电极层分别固定于所述两个支撑板的相对面；所述绝缘薄膜层置于所述两个电极层...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨亚，刘茜，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11