一种多层柔性可扩展型摩擦发电机制造技术

本发明专利技术公开了一种多层柔性可扩展型摩擦发电机，属于摩擦发电机技术领域。本发明专利技术的技术方案要点为：一种多层柔性可扩展型摩擦发电机，由多个发电机单元扩展拼接组装而成，每个发电机单元分别包括上支撑板、下支撑板、连接上支撑板和下支撑板的柔性辅助支撑及设置于上支撑板和下支撑板之间的至少一个摩擦发电单元，该摩擦发电单元由固定于上支撑板和下支撑板之间的柔性折叠式基底及间隔设置于柔性折叠式基底两侧的第一摩擦单元和第二摩擦单元构成，柔性折叠式基底上第一摩擦层和第二摩擦层在外力作用下作相互接触分离运动。本发明专利技术的多层柔性可扩展型摩擦发电机具有结构简单、制作方便、成本低廉及输出性能好且稳定的优点。

A multi-layer flexible expansible friction generator

The invention discloses a multi-layer flexible extensible friction generator, which belongs to the technical field of the friction generator. The technological scheme of the present invention is a multi-layer flexible extensible type friction generator, a generator unit assembled, each generator unit includes at least one friction generating unit on flexible auxiliary support plate and a lower supporting plate, connected on the supporting plate and the lower support plate is arranged between the support and on the supporting plate and the lower support plate, a first friction element of the friction generating unit is fixed on the upper support plate and a lower supporting plate and flexible folding base are separately arranged on the flexible substrate on both sides of the folding and second friction elements, flexible folding substrate first friction layer and second friction layer under the action of external force contact separation exercise. The multi-layer flexible expansible friction generator of the invention has the advantages of simple structure, convenient fabrication, low cost, good output performance and stability.

【技术实现步骤摘要】
一种多层柔性可扩展型摩擦发电机
本专利技术属于摩擦发电机
，具体涉及一种多层柔性可扩展型摩擦发电机。
技术介绍
人类历史上最主要的能量转换形式是燃烧，通常其效率较低且会带来严重的环境问题。因此如何实现高效的能量转换和存储吸引着无数科研工作者的关注。同时，随着人们对小型、集成化电子设备需求的不断提升，微型自驱动电子系统和便携式电子设备得以迅猛发展，对电子设备的供电系统也有了更高层次的要求。摩擦起电和静电感应是自然界中十分常见的两种现象，近年来，利用摩擦起电和静电感应的耦合，摩擦发电机日趋成为全世界研究的热点，其基本原理是利用两种摩擦极性相差较大的不同材料之间的相互接触分离或摩擦产生电荷，结合静电感应将机械能转化成电能，具有结构原理简单和输出效率高的特点。为了有效地将自然界中广泛存在的水能、风能、人体运动等形式多样的机械能转化为电能，科研工作者们设计出了能够满足实际需要的不同结构类型的摩擦发电机，并且成功应用于自驱动传感器、自驱动电子系统及有机污染物自驱动降解等领域。目前已有的摩擦发电机在实际应用中主要存在输出稳定性差和功率密度低等缺陷，这在一定程度上限制了摩擦发电机的广泛应用。
技术实现思路
本专利技术解决的技术问题是提供了一种结构简单且设计合理的多层柔性可扩展型摩擦发电机，用于解决现有的摩擦发电机在往复运动振动能量收集时转换效率低和对运动频率要求高的技术问题。本专利技术为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种多层柔性可扩展型摩擦发电机，其特征在于由多个发电机单元扩展拼接组装而成，每个发电机单元分别包括上支撑板、下支撑板、连接上支撑板和下支撑板的柔性辅助支撑及设置于上支撑板和下支撑板之间的至少一个摩擦发电单元，该摩擦发电单元由固定于上支撑板和下支撑板之间的柔性折叠式基底及间隔设置于柔性折叠式基底两侧的第一摩擦单元和第二摩擦单元构成，其中第一摩擦单元由固定于柔性折叠式基底上的第一摩擦层构成，第二摩擦单元由依次固定于柔性折叠式基底上的金属电极板和第二摩擦层构成，第一摩擦层为束缚电子能力弱的金属导电层，第二摩擦层为束缚电子能力强的非金属绝缘层，柔性折叠式基底上第一摩擦层和第二摩擦层在外力作用下作相互接触分离运动。进一步优选，所述柔性折叠式基底的两端分别叠压固定于上支撑板和下支撑板上，柔性折叠式基底在上支撑板和下支撑板的叠压部位分别设有第一摩擦单元或第二摩擦单元。进一步优选，多个第一摩擦单元的金属导电层并联，多个第二摩擦单元的金属电极板并联。进一步优选，所述第一摩擦层的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金，第一摩擦层的厚度为50μm-1mm，第二摩擦层的材质为聚四氟乙烯，第二摩擦层的厚度为50μm-1mm，金属电极板的材质为铝或铜。进一步优选，所述第二摩擦层进行电荷注入预处理。进一步优选，所述第一摩擦层和第二摩擦层的接触面积相等。进一步优选，所述第一摩擦单元由依次固定于柔性折叠式基底上的海绵层和第一摩擦层构成。进一步优选，所述柔性折叠式基底和柔性辅助支撑的材质均为聚酰亚胺柔性薄膜，该柔性折叠式基底的厚度为50μm-1mm。进一步优选，所述上支撑板和下支撑板均为亚克力板。本专利技术设计并制作的多层柔性可扩展型摩擦发电机，在提高发电机输出性能及稳定性方面，从以下四个方面进行了创新和改进：所述第二摩擦单元中的第二摩擦层均为聚合物摩擦层，且均在高压设备下进行了电荷预注入处理，显著提升了其输出性能；所述多层柔性可扩展型摩擦发电机在整体结构设计上，采取了在有限的往复运动空间内增大有效接触面积的折叠式设计方案，大幅提升了其输出性能；所述第一摩擦单元中可以借助添加海绵层的方法，使得各摩擦层在接触分离时受力均匀、接触充分，提高输出性能稳定性；所述多层柔性可扩展型摩擦发电机可实现以发电机单元进行三维扩展连接，实现自由控制摩擦发电机的整体体积和输出性能，满足各种实际需求。本专利技术的多层柔性可扩展型摩擦发电机的输出性能可由摩擦发电单元的数量、发电机单元式拼接的数量、往复运动的频率及各摩擦层间有效接触面积等因素共同决定。目前，本专利技术已实现两个发电机单元纵向叠加，达到12个摩擦层同步接触与分离的效果，最佳输出短路电流与开路电压分别为600μA和900V，每个摩擦层的有效接触面积为30cm2。本专利技术的有益效果是：本专利技术的多层柔性可扩展型摩擦发电机具有输出功率大、输出电流和电压稳定性好和输出性能可依据发电机单元叠加数量及摩擦单元数量进行控制等优势。另外，所述多层柔性可扩展型摩擦发电机具有结构原理简单、制作简易及耐磨耐用等优点。本专利技术提供的多层柔性可扩展型摩擦发电机的优势在于：1、所述第二摩擦层的聚合物均进行电荷预注入处理，显著提升摩擦层表面电荷密度，与摩擦层表面微纳结构处理的方法相比，具有方法简单及成本低廉的优势；2、所述多层柔性可扩展型摩擦发电机，为了有效提升输出性能，在结构上采用多层折叠式设计，在有限的运动空间内实现摩擦层接触面积最大化；3、所述第一摩擦单元中添加海绵层，使各摩擦层受力均匀，输出性能稳定；4、所述多层柔性可扩展型摩擦发电机能以发电机单元进行三维拼接扩展，进而满足不同实际状况的需求。附图说明图1是多层柔性可扩展型摩擦发电机的结构示意图；图2是图1中A处的局部放大图；图3是多层柔性可扩展型摩擦发电机中发电机单元的结构示意图；图4是多层柔性可扩展型摩擦发电机电流产生原理示意图；图5是多层柔性可扩展型摩擦发电机电压产生原理示意图；图6是多层柔性可扩展型摩擦发电机的短路电流曲线；图7是多层柔性可扩展型摩擦发电机的电压波形曲线。图中：1、柔性辅助支撑，2、下支撑板，3、柔性折叠式基底，4、金属电极板，5、第二摩擦层，6、第一摩擦层，7、海绵层，8、上支撑板。具体实施方式以下将结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细、完整地描述。应当注意的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。在本专利技术中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”是指示图中的方向；“填充度”定义为接触和分离过程中形成的面积。如图1-3所示，一种多层柔性可扩展型摩擦发电机，由多个发电机单元扩展拼接组装而成，每个发电机单元分别包括上支撑板8、下支撑板2、连接上支撑板8和下支撑板2的柔性辅助支撑1及设置于上支撑板8和下支撑板2之间的至少一个摩擦发电单元，该摩擦发电单元由固定于上支撑板8和下支撑板2之间的柔性折叠式基底3及间隔设置于柔性折叠式基底3两侧的第一摩擦单元和第二摩擦单元构成，其中第一摩擦单元由依次固定于柔性折叠式基底3上的海绵层7和第一摩擦层6构成，第二摩擦单元由依次固定于柔性折叠式基底3上的金属电极板4和第二摩擦层5构成，第一摩擦层6为束缚电子能力弱的金属导电层，第二摩擦层5为束缚电子能力强的非金属绝缘层并且该第二摩擦层5进行电荷注入预处理，柔性折叠式基底3上第一摩擦层6和第二摩擦层5在外力作用下作相互接触分离运动。本专利技术所述柔性折叠式基底3的两端分别叠压固定于上支撑板8和下支撑板2上，柔性折叠式基底3在上支撑板8和下支撑板2的叠压部位分别设有第一摩擦单元或第二摩擦单元；多个第一摩擦单元的金属导电层并联，多个第二摩擦单元的金属电极板并联；所述第一摩擦层6的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金，第一摩擦层6的厚度为50μm-1mm，第二摩擦本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种多层柔性可扩展型摩擦发电机，其特征在于由多个发电机单元扩展拼接组装而成，每个发电机单元分别包括上支撑板、下支撑板、连接上支撑板和下支撑板的柔性辅助支撑及设置于上支撑板和下支撑板之间的至少一个摩擦发电单元，该摩擦发电单元由固定于上支撑板和下支撑板之间的柔性折叠式基底及间隔设置于柔性折叠式基底两侧的第一摩擦单元和第二摩擦单元构成，其中第一摩擦单元由固定于柔性折叠式基底上的第一摩擦层构成，第二摩擦单元由依次固定于柔性折叠式基底上的金属电极板和第二摩擦层构成，第一摩擦层为束缚电子能力弱的金属导电层，第二摩擦层为束缚电子能力强的非金属绝缘层，柔性折叠式基底上第一摩擦层和第二摩擦层在外力作用下作相互接触分离运动。

【技术特征摘要】
1.一种多层柔性可扩展型摩擦发电机，其特征在于由多个发电机单元扩展拼接组装而成，每个发电机单元分别包括上支撑板、下支撑板、连接上支撑板和下支撑板的柔性辅助支撑及设置于上支撑板和下支撑板之间的至少一个摩擦发电单元，该摩擦发电单元由固定于上支撑板和下支撑板之间的柔性折叠式基底及间隔设置于柔性折叠式基底两侧的第一摩擦单元和第二摩擦单元构成，其中第一摩擦单元由固定于柔性折叠式基底上的第一摩擦层构成，第二摩擦单元由依次固定于柔性折叠式基底上的金属电极板和第二摩擦层构成，第一摩擦层为束缚电子能力弱的金属导电层，第二摩擦层为束缚电子能力强的非金属绝缘层，柔性折叠式基底上第一摩擦层和第二摩擦层在外力作用下作相互接触分离运动。2.根据权利要求1所述的多层柔性可扩展型摩擦发电机，其特征在于：所述柔性折叠式基底的两端分别叠压固定于上支撑板和下支撑板上，柔性折叠式基底在上支撑板和下支撑板的叠压部位分别设有第一摩擦单元或第二摩擦单元。3.根据权利要求1所述的多层柔性可扩展型摩擦发电机，其特征在于：多个第一摩擦单...

【专利技术属性】
技术研发人员：高书燕，陈野，朱迎正，
申请(专利权)人：河南师范大学，
类型：发明
国别省市：河南,41