一种复合电容结构及其制备方法与应用技术

本发明专利技术提供了一种复合电容结构，依次包括第一导电层，第一绝缘层，第二导电层，第二绝缘层，第三导电层，第三绝缘层以及第四导电层，其中第一电容结构包含第一导电层，第一绝缘层和第二导电层，第二电容结构包含第二导电层，第二绝缘层和第三导电层，第三电容结构包含第三导电层，第三绝缘层以及第四导电层，其中第二电容结构中的第二导电层，第二绝缘层和/或第三导电层可以相对移动从而改变第二电容结构的电容。通过导电层充电后的相对移动，来驱动电荷的移动，进行发电，实现将外部的能量捕获并转化为电能，实现高电流输出。

A Composite Capacitor Structure and Its Preparation Method and Application

The invention provides a composite capacitor structure, which includes the first conductive layer, the first insulating layer, the second conductive layer, the second insulating layer, the third conductive layer, the third insulating layer and the fourth conductive layer in turn. The first capacitive structure comprises the first conductive layer, the first insulating layer and the second conductive layer, and the second capacitive structure comprises the second conductive layer, the second insulating layer and the third conductive layer. The third capacitive structure consists of a third conductive layer, a third insulating layer and a fourth conductive layer, in which the second conductive layer, the second insulating layer and/or the third conductive layer in the second capacitive structure can move relatively to change the capacitance of the second capacitive structure. Through the relative movement of the conductive layer after charging, the charge can be driven to generate electricity, and the external energy can be captured and converted into electric energy to achieve high current output.

【技术实现步骤摘要】
一种复合电容结构及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种复合电容结构及其制备方法，尤其是涉及一种基于超润滑的复合电容结构及其构成的发电装置。
技术介绍
随着智能终端设备和植入医疗设备尺寸的减小，功能的增加，导致这些设备对电源的持续供电能力提出了更高要求。目前，这些设备通常采用充电电池以外界充电的方式来解决电源供电不足的问题。但实际使用中发现，外界充电方式(即便是快速充电)仍不能很好的满足人们对充电速度快、充电时间短等的需求。常用的供电设备中磁感应式发电装置是通过捕获外界的做功在磁场中感应产生电流，以提供电能，其发电结构由磁极和线圈转子组成；这类结构的发电装置产生稳定的发电需要一定大小的磁体来保持均匀的磁场，导致磁感应式发电装置尺寸大；不适合给上述智能终端设备和植入医疗设备供电。相反的，人们生活中很多持续的活动存在有非常大的能量耗散没有被采集和利用，而传统的发电装置转化效率低，无法将这些微小活动有效转化为电能，例如手指在触摸屏幕上滑动的动能，人的肢体运动的动能，心脏跳动的动能，以及一些微小物体或有着微小运动的物体的移动动能。这样，需要设计出能够通过采集和捕获这些持续性活动的动能，将其转化为电能的供电装置，为上述智能终端设备和植入医疗设备提供方便、可靠且持续的电能。目前，纳米发电装置是一种能够将微小运动能量捕获并转化为电能的发电设备，其通过不同物体之间相对摩擦来产生电荷，使得其中绝缘体表面带有电荷，再通过滑动时复式电容结构的改变来驱动电荷发生转移，产生电流；这种捕获微小动能的发电模式取得了一定的进展。然而，这种纳米发电装置仍然存在以下几个的技术困惑：1、纳米发电装置依赖于两个摩擦材料的表面结构，对发电电量的调控难度较大；2、纳米发电装置产生电荷的方式是通过物体间的摩擦，摩擦力大，产生电荷量就越大，同时带来负效应是摩擦损耗的能量相应变大，这限制了发电装置的能量转化效率；3、纳米发电装置发电机理利用了摩擦，其长时间的摩擦工作不可避免地给材料带来巨大的磨损，这对用于摩擦的材料提出了很高的要求。基于上述技术的难点，采用超润滑技术实现两个材料表面之间相对运动的零摩擦，为发电装置采集和捕获微小活动动能并高效率的转化为电能提供了一种新的可能性。
技术实现思路
为了克服上述传统发电装置和现有的摩擦式纳米发电装置存在的难点，本专利技术提出了一种复合电容结构及其构成的发电装置。该装置通过预先充电方式来使得发电装置的复合电容结构初始状态具有较高的电量，并通过捕获外面持续的微小活动动能，改变了电容的结构，驱动电容电荷转移，产生较大的电流和较高的能量转化效率。进一步的，通过复合电容结构中的绝缘层和导电层之间的原子级光滑表面实现无摩擦的超润滑运动，从而可实现更高的能量转化效率，更长的材料使用寿命和更高的电能输出。为达到上述目的，本专利技术提供了如下所述的技术方案：一种复合电容结构，依次包括第一导电层、第一绝缘层、第二导电层、第二绝缘层、第三导电层、第三绝缘层以及第四导电层；其中第一电容结构包含第一导电层、第一绝缘层和第二导电层；第二电容结构包含第二导电层、第二绝缘层和第三导电层；第三电容结构包含第三导电层、第三绝缘层以及第四导电层；其中，第二电容结构中的第二导电层、第二绝缘层和/或第三导电层可以相对移动从而改变第二电容结构的电容。另外的，上述导电层包括具有导电性能的无机材料和/或有机材料；例如：金、银、铜、铁、铝及其合金等金属材料、导电碳材料、导电复合氧化物、导电陶瓷、导电聚合物等。另外的，绝缘层材料可以为真空、气体、液体和/或固体材料；例如：真空、空气、氮气、稀有气体、矿物油、合成油、介电陶瓷、类金刚石材料等；优选空气、类金刚石材料。另外的，绝缘层的厚度可以为任意厚度，任一所述绝缘层的厚度优选为0.5nm-50μm，更优选0.5nm-100nm。另外的，第二导电层和/或第三导电层在其与第二绝缘层接触的表面上优选形成保护层，更优选第二导电层和第三导电层在其与第二绝缘层接触的表面上均形成保护层。上述复合电容结构的制备方法，包括：提供第一导电层，在第一导电层之上形成第一绝缘层，在第一绝缘层上形成第二导电层，从而得到第一电容结构；提供第四导电层，在第四导电层之上形成第三绝缘层，在第三绝缘层上形成第三导电层，从而得到第三电容结构；提供第二绝缘层；将第一电容结构，第二绝缘层与第三电容结构复合得到复合电容结构。一种超润滑复合电容结构，其包括上述复合电容结构，第二导电层和/或第三导电层在其与第二绝缘层接触的表面上形成超润滑材料层，从而形成超润滑的光滑表面。另外的，所述超润滑材料包括二维材料；优选的，所述超润滑材料优选石墨、石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硒化钼、氟化石墨烯、二硫化钨、二硒化钨、铋、钼或云母等；最优选单层石墨烯。另外的，绝缘层材料为固体材料；例如：介电陶瓷，类金刚石材料、绝缘聚合物材料、绝缘涂料等；优选特氟龙、类金刚石材料。上述超润滑复合电容结构的制备方法，包括：提供第二导电层，在第二导电层之上形成第一绝缘层，在第一绝缘层上形成第一导电层，任选地在第二导电层上形成第一超润滑材料层，从而得到第一电容结构；提供第三导电层，在第三导电层之上形成第三绝缘层，在第三绝缘层上形成第四导电层，任选地在第三导电层上形成第二超润滑材料层，从而得到第三电容结构；提供第二绝缘层；将第一电容结构，第二绝缘层与第三电容结构复合得到复合电容结构。另外的，所述第一电容结构的制备方法为，在二维超润滑材料表面镀第二导电层，在第二导电层之上镀第一绝缘层，在第一绝缘层上镀第一导电层，对所得复合层状结构进行刻蚀，得到所需形状和尺寸的第一电容结构。另外的，所述第三电容结构的制备方法为，在二维超润滑材料表面镀第三导电层，在第三导电层之上镀第三绝缘层，在第三绝缘层上镀第四导电层，对所得复合层状结构进行刻蚀，得到所需形状和尺寸的第三电容结构。另外的，所述二维超润滑材料为石墨或石墨烯。另外的，刻蚀后滑动所得电容结构，存在自回缩现象的电容结构即为所需具有超润滑材料层的电容结构。一种电容式发电装置，其包括上述复合电容结构，分别连接第一导电层和第四导电层的输出单元，以及驱动第二电容结构中的第二导电层，第二绝缘层和/或第三导电层可以相对移动的驱动单元。所述电容式发电装置还包括为第二电容结构进行初始充电的充电单元。一种转盘式容栅，其包含转子、定子、连轴器以及电刷，其中：转子具有第一绝缘层上下表面对应设置有第一和第二导电材料阵列构成第一电容阵列，转子上的所有导电材料并联连接并且将上下两个面上的导电材料分别连接到转子中间的两个同心设置的导体圆环上，所述导体圆环分别设有对应的电刷；定子也具有第三绝缘层上下表面对应设置有第三和第四导电材料阵列构成第二电容阵列，定子上的所有导电材料并联连接并且将上下两个面上的导电材料分别连接到两个电极上；转子与定子之间具有第二绝缘层；转子通过连轴器与驱动单元连接。一种转盘式容栅发电装置，其包括上述转盘式容栅。所述转盘式容栅发电装置还包括为进行初始充电的充电单元。通过上述的技术方案，本专利技术具有以下优点：复合电容结构能够捕获和收集持续微小活动动能并转化为电能，转换效率高，尺寸小；这样可在智能终端设备和植入医疗中用作子供电系统。复合电容结构采用了预先充电式起电，获得了很高的初始本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种复合电容结构，依次包括第一导电层、第一绝缘层、第二导电层、第二绝缘层、第三导电层、第三绝缘层以及第四导电层；其中第一电容结构包含所述第一导电层、所述第一绝缘层和所述第二导电层；第二电容结构包含所述第二导电层、所述第二绝缘层和所述第三导电层；第三电容结构包含所述第三导电层、所述第三绝缘层以及所述第四导电层；其特征在于：所述第二电容结构中的所述第二导电层、所述第二绝缘层和/或所述第三导电层可以相对移动从而改变所述第二电容结构的电容。

【技术特征摘要】
1.一种复合电容结构，依次包括第一导电层、第一绝缘层、第二导电层、第二绝缘层、第三导电层、第三绝缘层以及第四导电层；其中第一电容结构包含所述第一导电层、所述第一绝缘层和所述第二导电层；第二电容结构包含所述第二导电层、所述第二绝缘层和所述第三导电层；第三电容结构包含所述第三导电层、所述第三绝缘层以及所述第四导电层；其特征在于：所述第二电容结构中的所述第二导电层、所述第二绝缘层和/或所述第三导电层可以相对移动从而改变所述第二电容结构的电容。2.如权利要求1所述复合电容结构，其特征在于：所述导电层包括具有导电性能的无机材料和/或有机材料。3.如权利要求1所述复合电容结构，其特征在于：所述导电层包括金属材料、导电碳材料、导电复合氧化物、导电陶瓷、导电聚合物或其组合。4.如权利要求1所述复合电容结构，其特征在于：所述导电层包括石墨、金、银、铜、铁、铝或合金材料。5.如权利要求1所述复合电容结构，其特征在于：所述绝缘层材料包括真空、气体、液体和/或固体材料。6.如权利要求1所述复合电容结构，其特征在于：所述绝缘层材料包括真空、空气、氮气、稀有气体、矿物油、合成油、介电陶瓷、类金刚石材料。7.如权利要求6所述复合电容结构，其特征在于：所述绝缘层材料包括空气、类金刚石材料。8.如权利要求1所述复合电容结构，其特征在于：任一所述绝缘层的厚度为0.5nm-50μm。9.如权利要求1所述复合电容结构，其特征在于：任一所述绝缘层的厚度为0.5nm-100nm。10.如权利要求1所述复合电容结构，其特征在于：所述第二导电层和/或所述第三导电层在其与所述第二绝缘层接触的表面上形成保护层。11.如权利要求10所述复合电容结构，其特征在于：所述第二导电层和所述第三导电层在其与所述第二绝缘层接触的表面上均形成保护层。12.如权利要求1-11任一项所述复合电容结构的制备方法，其特征在于，包括：提供所述第一导电层，在所述第一导电层之上形成所述第一绝缘层，在所述第一绝缘层上形成所述第二导电层，从而得到所述第一电容结构；提供所述第四导电层，在所述第四导电层之上形成所述第三绝缘层，在所述第三绝缘层上形成所述第三导电层，从而得到所述第三电容结构；提供所述第二绝缘层；将所述第一电容结构，所述第二绝缘层与所述第三电容结构复合得到复合电容结构。13.如权利要求12所述的制备方法，其特征在于：所述第二导电层和/或所述第三导电层在其与所述第二绝缘层接触的表面上形成保护层。14.如权利要求13所述制备方法，其特征在于：所述第二导电层和所述第三导电层在其与所述第二绝缘层接触的表面上均形成保护层。15.一种超润滑复合电容结构，其特征在于：包括如权利要求1-11任一所述复合电容结构，所述第二导电层和/或所述第三导电层在其与所述第二绝缘层接触的表面上设置超润滑材料层，从而形成超润滑的表面。16.如权利要求15所述超润滑复合电容结构，其特征在于：所述超润滑材料包括二维材料。17.如权利要求15所述超润滑复合电容结构，其特征在于：所述超润滑材料包括石墨、石墨烯、六方氮化硼、二硫化钼、二硒化钼、氟化石墨烯、二硫化钨、二硒化钨、铋、钼或云母。18.如权利要求15所述超润滑复合电容结构，其特征在于：所述超润滑材料为单层石墨烯。19.如权利要求15所述超润滑复合电容结构，其特征在于：所述绝缘层材料包括固体材料。20.如权利要求15所述超润滑复合电容结构，其特征在于：所述绝缘层材料包括介电陶瓷、绝缘聚合物材料或绝缘涂料。21.如权利要求15所述超润滑复合电容结构，其特征在于：所述绝缘层材料包括特氟龙。22.如权利要求15所述超润滑复合电容结构，其特征在于：所述绝缘层材料包括类金刚石材料。23.如权利要求15-22任一项所述超润滑复合电容结构的制备方法，其特征在于，包括：提供所述第二导电层，在所述第二导电层之上形成所述第一绝缘层，在所述第一绝缘层上形成所述第一导电层，任选地在所述第二导电层上形成第一超润滑材料层，从而得到所述第一电容结构；提供所述第三导电层，在所述第三导电层之上形成所述第三绝缘层，在所述第三绝缘层上形成所述第四导电层，从而得到所述第三电容结构；提供所述第二绝缘层；将所述第一电容结构，所述第二绝缘层与所述第三电容结构...

【专利技术属性】
技术研发人员：郑泉水，黄轩宇，林立，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京,11