具有润滑剂的摩擦纳米发电机制造技术

本发明专利技术提出了一种具有润滑剂的摩擦纳米发电机，包括两个互相滑动的摩擦部件，互相接触滑动的表面为具有不同表面电负性的材料，两个互相滑动的摩擦部件之间设置液体润滑剂，当两个互相滑动的摩擦部件之间滑动时，在表面摩擦起电效应和静电感应作用下，发电机对外产生电荷输出。本发明专利技术的技术方案能够降低材料的磨损，进而节约材料、延长更换周期、减少操作成本，最终降低发电成本。并且液体润滑剂作用下，减少空气中极性成分对电荷的传递；增加固体‑固体的有效接触面积，均有助于输出性能的提高。

Friction Nanogenerator with lubricant

【技术实现步骤摘要】
具有润滑剂的摩擦纳米发电机
本专利技术涉及一种发电机，特别涉及一种将机械能转化为电能的具有润滑剂的摩擦纳米发电机。
技术介绍
摩擦纳米发电机能够广泛收集周围环境中的机械能而用于收集能量和传感等多个领域。相比于传统的电磁式发电机，其具有发电效率高、质量轻、成本低等优点，自被提出后便引起了广泛的关注和研究。滑动模式的摩擦纳米发电机具有更小的体积和更高的输出。基于滑动式摩擦纳米发电机的典型结构，见图1a至图1c，包括第一摩擦层1、第一摩擦层下方接触放置的第一导电元件2、具有高电导率的第二摩擦层3(同时充当第二导电元件)。在施加一定压力使得所述第一摩擦层和第二摩擦层充分贴合，在两个摩擦层表面产生正负电荷，并且在所述施加外力的分力F作用下使得第一摩擦层1和第二摩擦层3发生滑动摩擦，随着接触面积的变化，在静电感应作用下，能够通过第一导电元件2和第二导电元件向外输出电信号。随着压力的增加，第一摩擦层1和第二摩擦层3互相接触表面的磨损会变严重，输出性能下降。而当压力进一步升高时，会发生摩擦层的破裂，逐渐失去发电作用。另外，由于第一摩擦层1和第二摩擦层3为不同的材料，随着滑动距离的增加，较软的摩擦层被不断剪切、形成小的磨屑，在较硬的摩擦层上形成转移膜，使得原有的第一摩擦层-第二摩擦层的有效接触减小，输出性能下降。因此，目前因磨损而导致的低寿命是滑动模式摩擦纳米发电机的主要缺点。此外，在使用过程中，滑动模式摩擦纳米发电机的输出性能也会由于材料的磨损、氧化和老化等作用而大幅降低，使得发电的稳定性变差。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种具有润滑剂的摩擦纳米发电机，通过在滑动式摩擦纳米发电机的相互滑动摩擦层的界面引入液体润滑剂，达到提高摩擦纳米发电机的寿命和稳定性，同时可以提高输出性能。为了实现上述目的，本专利技术提供一种具有润滑剂的摩擦纳米发电机，包括两个互相滑动的摩擦部件，互相接触滑动的表面为具有不同表面电负性的材料，两个互相滑动的摩擦部件之间设置液体润滑剂，当两个互相滑动的摩擦部件之间滑动时，在表面摩擦起电效应和静电感应作用下，发电机对外产生电荷输出。优选的，所述液体润滑剂的相对介电常数≤2.2。优选的，所述液体润滑剂在25℃时的动力粘度≤0.2Pa·s。优选的，所述液体润滑剂为液态烷烃或烷烃混合物、液态烯烃或烯烃混合物、低聚合度的聚烯烃等，如角鲨烷、液体石蜡或矿物油、变压器油、低粘度的聚α烯烃(PAOn，n≤10)中的一种或者几种。优选的，所述两个互相滑动的摩擦部件中，一个摩擦部件包括第一摩擦层、所述第一摩擦层下方接触放置的第一导电元件，另一个摩擦部件包括具有高电导率的第二摩擦层，在所述第一摩擦层和第二摩擦层之间设置有所述液态润滑剂；外力使得所述第一摩擦层和第二摩擦层充分贴合，并且施加外力使得所述第一摩擦层和第二摩擦层发生相对滑动摩擦，并且接触面积变化，能够通过所述第一导电元件和第二摩擦层向外输出电信号。优选的，所述第一摩擦层为绝缘材料，优选为聚合物、聚合物基复合材料、氧化物陶瓷及其复合材料；和/或，所述第二摩擦层为导电材料。优选的，所述聚合物为聚酰亚胺薄膜、聚四氟乙烯薄膜、聚酰胺薄膜；所述氧化物陶瓷为氧化铝陶瓷、氧化硅陶瓷和氧化锆陶瓷等；所述聚合物基复合材料和氧化物陶瓷基复合材料所添加的填料为具有高介电常数的非导电性材料，优选为纳米二氧化钛、二氧化硅、氧化铝、钛酸锶、钛酸钡、钙钛矿和二硫化钼；所述导电材料为金属及其形成的合金、导电氧化物或碳基导电材料；优选的，若所述第一摩擦层采用软质的聚合物或聚合物基复合材料，则所述第二层摩擦材料为硬质金属和合金薄膜。优选的，所述两个互相滑动的摩擦部件中，一个摩擦部件包括并排设置的第一电极层和第二电极层，另一个摩擦部件包括独立摩擦层，所述独立摩擦层与所述第一电极层和第二电极层滑动的表面之间包括所述液体润滑剂，当所述独立摩擦层在所述第一电极层和第二电极层之间滑动时，可以在所述第一电极层和第二电极层之间产生电信号输出。优选的，所述独立摩擦层为聚合物绝缘材料，优选为聚合物、聚合物基复合材料、氧化物陶瓷及其复合材料；和/或，所述第一电极层和第二电极层为金属及其形成的合金、导电氧化物或碳基导电材料，优选为铝箔或铜箔。优选的，所述独立摩擦层为软质摩擦层，所述第一电极层和第二电极层为硬质电极层。通过上述技术方案，本专利技术的有益效果是：本专利技术首次将液体润滑剂加入到摩擦纳米发电机中，在保证固体-固体间的发电性能下，使得原有的“固体-气体-固体”区域变为“固体-液体-固体”，不仅降低材料机械能的磨损、减弱气体介质对材料表面的氧化和老化等作用、并且降低气体介质对输出性能的影响，最终获得具有高寿命、高稳定性的摩擦纳米发电机。本专利技术的技术方案能够降低材料的磨损，进而节约材料、延长更换周期、减少操作成本，最终降低发电成本。本技术方案无需改变原有发电机的结构，操作简单。在液体润滑剂作用下，一方面，液体能够排除空气，减少空气中极性成分对电荷的传递；另一方面，随着滑动次数的增加，固体-固体的有效接触面积也随之增加，二者均有助于输出性能的提高。本专利技术采用低粘度液体作为润滑剂，能够保证有效的固体-固体接触从而保证其发电效率；采用低介电常数液体能够有效避免固体表面电荷的传递，从而避免造成发电效率的下降。液体润滑剂使得发电机的摩擦力降低，减少了机械能的损耗，进而能够提高机械能的利用率。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1为现有滑动式摩擦纳米发电机的典型结构示意图；图2为本专利技术具有液体润滑剂的摩擦纳米发电机的典型结构示意图；图3为一种滑动式摩擦纳米发电机在干磨和角鲨烷润滑下的输出性能、Al磨损面的扫描电镜SEM图和三维图；图4为干磨以及液体润滑下的摩擦界面示意图；图5为PI-Al发电机长期在干磨和角鲨烷润滑下的磨损及输出性能曲线；图6为PI-Al发电机在干磨以及不同液体润滑剂下的输出性能；图7为液体的相对介电常数和粘度对输出性能的影响测试数据；图8为另一种结构的摩擦纳米发电机结构示意图。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，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。图中液体润滑剂示意较厚，只是为了在图中可以显示，并不是实际厚度。本专利技术提供一种具有润滑剂的摩擦纳米发电机，典型结构参见图2所示，包括第一摩擦层10、第一摩擦层下方接触放置的第一导电元件11、具有高电导率的第二摩擦层20，以及添加在第一摩擦层10和第二摩擦层20之间的液态润滑剂30。施加一定外力使得第一摩擦层10和第二摩擦层20充分贴合，并且施加外力使得第一摩擦层10和第二摩擦层20发生在箭头A向左或者向右方本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有润滑剂的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括两个互相滑动的摩擦部件，互相接触滑动的表面为具有不同表面电负性的材料，两个互相滑动的摩擦部件之间设置液体润滑剂，当两个互相滑动的摩擦部件之间滑动时，在表面摩擦起电效应和静电感应作用下，发电机对外产生电荷输出。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有润滑剂的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括两个互相滑动的摩擦部件，互相接触滑动的表面为具有不同表面电负性的材料，两个互相滑动的摩擦部件之间设置液体润滑剂，当两个互相滑动的摩擦部件之间滑动时，在表面摩擦起电效应和静电感应作用下，发电机对外产生电荷输出。


2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述液体润滑剂的相对介电常数≤2.2。


3.根据权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，所述液体润滑剂在25℃时的动力粘度≤0.2Pa·s。


4.根据权利要求1-3任一项中所述的发电机，其特征在于，所述液体润滑剂为液态烷烃或烷烃混合物、液态烯烃或烯烃混合物、低聚合度的聚烯烃等，如角鲨烷、液体石蜡或矿物油、变压器油、聚α烯烃(PAOn，n≤10)中的一种或者几种。


5.根据权利要求1-4任一项中所述的发电机，其特征在于，所述两个互相滑动的摩擦部件中，一个摩擦部件包括第一摩擦层、所述第一摩擦层下方接触放置的第一导电元件，另一个摩擦部件包括具有高电导率的第二摩擦层，在所述第一摩擦层和第二摩擦层之间设置有所述液态润滑剂；
外力使得所述第一摩擦层和第二摩擦层充分贴合，并且施加外力使得所述第一摩擦层和第二摩擦层发生相对滑动摩擦，并且接触面积变化，能够通过所述第一导电元件和第二摩擦层向外输出电信号。


6.根据权利要求5所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层为绝缘材料，优选为聚合物、聚合物基复合材料、氧化物陶瓷及其复...

【专利技术属性】
技术研发人员：史以俊，其他发明人请求不公开姓名，
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