可重构汽车振动能能量包及方法技术

本发明专利技术提供一种可重构汽车振动能能量包及其制备方法和进行机械振动能收集‑存储的方法，从上到下依次为铁块、上衬底、上金属电极、负性摩擦材料层、铁电材料层、正性摩擦材料层、下金属电极、下衬底，负性摩擦材料层、铁电材料层、正性摩擦材料层从上到下堆叠在一起构成铁电摩擦电耦合功能薄膜，摩擦材料层和金属电极之间设有弹性支撑结构，本发明专利技术利用正反面异号的摩擦电荷形成的电场将铁电材料极化，而铁电材料中的剩余极化将增强摩擦材料层的起电能力，使其表面带有更多的摩擦电荷。该两种效应互相耦合增强，有效地提升了摩擦发电机输出效率。该器件可通过结构上的重构分别实现能量收集和能量存储这两种功能。

Energy package and method of reconfigurable vehicle vibration energy

【技术实现步骤摘要】
可重构汽车振动能能量包及方法
本专利技术涉及能量收集技术、微电子机械系统(MEMS)、电子聚合物功能材料领域，具体涉及一种可重构汽车振动能能量包及其制备方法、以及利用所述可重构汽车振动能能量包进行机械振动能收集-存储的方法。
技术介绍
摩擦起电是日常生活中一种十分普遍的现象。它是指通过物体之间物理接触中产生的电荷转移过程，摩擦起电过程也是日常静电的由来，摩擦电荷的形成依赖于接触材料的摩擦电极性的差别。虽然摩擦起电这一普遍现象被人类认识近千年的时间，但是其形成机制仍然没有被完全研究清楚。目前，比较被认同的一种解释是，在两种材料接触的时候，在其接触处部分位置形成了化学键。电荷从一种材料转移到另一种材料以平衡两者的电化学势。结合摩擦起电和静电感应原理人们已经制备了几种不同的自供能传感器。传统的能量收集技术主要基于静电感应、电磁感应和压电效应。然而，已经专利技术的静电感应、存在体积大，适用性窄等缺点，电磁感应发电机和压电发电机则普遍存在结构复杂，对材料有特殊要求和成本较高等缺陷。已专利技术的静电脉冲发电机在小型化、轻量化及集成化方面有所不足，输出功率密度较小，不能满足对人体运动等生物机械能收集的需要。此外，当前的能量收集器件仅仅用于能量收集和转化，还不能同时实现一体化能量收集-存储双重功能。因此，很有必要设计开发一种能够同时实现振动能能量收集-存储的结构单元。
技术实现思路
鉴于以上所述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于给出一种可重构汽车振动能能量包及其制备方法、以及利用所述可重构汽车振动能能量包进行机械振动能收集-存储的方法。该能量收集单元制备工艺步骤简单，加工成本低，体积小，重量轻，柔韧性好，可大批量生产。为实现上述专利技术目的，本专利技术技术方案如下：一种可重构汽车振动能能量包，从上到下依次为铁块8、上衬底11、上金属电极21、负性摩擦材料层3、铁电材料层4、正性摩擦材料层5、下金属电极22、下衬底12，所述负性摩擦材料层3、铁电材料层4、正性摩擦材料层5从上到下堆叠在一起构成铁电摩擦电耦合功能薄膜，负性摩擦材料层3上表面和上金属电极21之间设有弹性支撑结构6，正性摩擦材料层5下表面和下金属电极22之间设有弹性支撑结构6，上金属电极21、下上金属电极22均通过引线7接地，上、下金属电极用于摩擦起电和导电输出；负性摩擦材料层3材料的得电子能力强于正性摩擦材料层5材料的得电子能力，金属电极的得电子能力在这两种材料之间。作为优选方式，负性摩擦材料层3为铁氟龙或聚氟乙烯或聚氯乙烯。作为优选方式，正性摩擦材料层5为尼龙、或聚氨酯、或氟化镁。作为优选方式，铁电材料层4材料选自钛酸钡、磷酸二氢钾、钛酸锶钡、铌酸钾钠其中的一种。作为优选方式，上金属电极21、下金属电极22采用铝、或金或氧化铟锡导电玻璃(ITO)制备。作为优选方式，铁电材料层4为厚度为100nm～200nm的薄膜。作为优选方式，上金属电极21、下金属电极22厚度范围为30-70微米。作为优选方式，上金属电极21、下金属电极22为单电极结构。为实现上述专利技术目的，本专利技术还提供一种上述的可重构汽车振动能能量包的制备方法，包括以下步骤：①柔性衬底经化学试剂清洗并干燥；②使用物理气相沉积在柔性衬底上沉积金属导电电极，并通过引线引出接地；③采用流延法制备铁电薄膜；④采用热压印在铁电薄膜正反两面分别贴附负性摩擦材料层3和正性摩擦材料层5；负性摩擦材料层3材料的得电子能力强于正性摩擦材料层5材料的得电子能力，而金属电极的等电子能力在这两种材料之间，因此在与金属电极接触分离的过程中，负性摩擦材料层3表面带上负电荷，而正性摩擦材料层5表面带上正电荷；⑤将弹性支撑结构6连接在负性摩擦材料层3上表面和上金属电极21之间，将弹性支撑结构6连接在正性摩擦材料层5下表面和下金属电极22之间，调节弹性支撑结构6的高度切换器件能量收集及能量存储两个功能。为实现上述专利技术目的，本专利技术还提供一种利用上述可重构汽车振动能能量包进行机械振动能收集-存储的方法，负性摩擦材料层3、铁电材料层4、正性摩擦材料层5构成介电层-铁电层-介电层的三明治结构，当调节弹性支撑结构6使其与两个金属电极分离的时候，构成了能量收集单元用于收集机械振动能；当调节弹性支撑结构6使两层金属电极与所述三明治结构压紧重叠时，构成了平板电容器，存储在两个摩擦材料层上的摩擦极化电荷，这样，该器件可通过结构上的重构分别实现能量收集和能量存储这两种功能。负性摩擦材料层3和正性摩擦材料层5表面的摩擦负电荷和摩擦正电荷将长时间存在，并形成从上到下的电场以极化铁电材料层4；而铁电材料层4的残余极化强度将反过来促进摩擦材料层从金属材料中获取更多的摩擦电荷。这样两个过程相互耦合、共同提升，从而有效地增强摩擦发电机的输出性能。顶部铁块用于调节器件在机械振动下的谐振频率及稳定性。与现有技术相比，本专利技术具有的有益效果是：本专利技术通过铁电效应和摩擦电效应的耦合作用，可以自发提高能量收集器件的表面电荷密度和能量转换效率。本专利技术所述的能量收集器件结构上由金属电极、摩擦材料层、铁电材料层构成，利用正反面异号的摩擦电荷形成的电场将铁电薄膜极化，而铁电薄膜中的剩余极化将增强摩擦起电薄膜的起电能力，使其表面带有更多的摩擦电荷。该两种效应互相耦合增强，有效地提升了摩擦发电机输出效率。因此，在收集高阻尼振动的过程中，可以保持较高能量转化效率。上下两层金属电极与三明治结构重叠时，构成了平板电容器，可以存储在两个聚合物薄膜上的摩擦极化电荷。这样，该器件可通过结构上的重构分别实现能量收集和能量存储这两种功能。本专利技术提出的一种铁电摩擦电耦合增强能量收集器件制备过程简单、结构新颖、成本低廉、实用性高、充分利用了自然界的能量。附图说明图1为本专利技术的可重构汽车振动能能量包示意图。图2为本专利技术铁电摩擦电耦合增强发电机理。图3为本专利技术器件重构后的平面电容器结构示意图。11为上衬底，12为下衬底，21为上金属电极，22为下金属电极，3为负性摩擦材料层，4为铁电材料层，5为正性摩擦材料层，6为弹性支撑结构，7为引线，8为铁块。具体实施方式以下通过特定的具体实例说明本专利技术的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本专利技术的其他优点与功效。本专利技术还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本专利技术的精神下进行各种修饰或改变。一种可重构汽车振动能能量包，从上到下依次为铁块8、上衬底11、上金属电极21、负性摩擦材料层3、铁电材料层4、正性摩擦材料层5、下金属电极22、下衬底12，所述负性摩擦材料层3、铁电材料层4、正性摩擦材料层5从上到下堆叠在一起构成铁电摩擦电耦合功能薄膜，负性摩擦材料层3上表面和上金属电极21之间设有弹性支撑结构6，正性摩擦材料层5下表面和下金属电极22之间设有弹性支撑结构6，上金属电极21、下上金属电极22均通过引线7本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可重构汽车振动能能量包，其特征在于：从上到下依次为铁块(8)、上衬底(11)、上金属电极(21)、负性摩擦材料层(3)、铁电材料层(4)、正性摩擦材料层(5)、下金属电极(22)、下衬底(12)，所述负性摩擦材料层(3)、铁电材料层(4)、正性摩擦材料层(5)从上到下堆叠在一起构成铁电摩擦电耦合功能薄膜，负性摩擦材料层(3)上表面和上金属电极(21)之间设有弹性支撑结构(6)，正性摩擦材料层(5)下表面和下金属电极(22)之间设有弹性支撑结构(6)，上金属电极(21)、下上金属电极(22)均通过引线(7)接地，上、下金属电极用于摩擦起电和导电输出；负性摩擦材料层(3)材料的得电子能力强于正性摩擦材料层(5)材料的得电子能力，金属电极的得电子能力在这两种材料之间。/n

【技术特征摘要】
1.一种可重构汽车振动能能量包，其特征在于：从上到下依次为铁块(8)、上衬底(11)、上金属电极(21)、负性摩擦材料层(3)、铁电材料层(4)、正性摩擦材料层(5)、下金属电极(22)、下衬底(12)，所述负性摩擦材料层(3)、铁电材料层(4)、正性摩擦材料层(5)从上到下堆叠在一起构成铁电摩擦电耦合功能薄膜，负性摩擦材料层(3)上表面和上金属电极(21)之间设有弹性支撑结构(6)，正性摩擦材料层(5)下表面和下金属电极(22)之间设有弹性支撑结构(6)，上金属电极(21)、下上金属电极(22)均通过引线(7)接地，上、下金属电极用于摩擦起电和导电输出；负性摩擦材料层(3)材料的得电子能力强于正性摩擦材料层(5)材料的得电子能力，金属电极的得电子能力在这两种材料之间。


2.根据权利要求1所述的一种可重构汽车振动能能量包，其特征在于：负性摩擦材料层(3)为铁氟龙或聚氟乙烯或聚氯乙烯。


3.根据权利要求1所述的一种可可重构汽车振动能能量包，其特征在于：正性摩擦材料层(5)为尼龙、或聚氨酯、或氟化镁。


4.根据权利要求1所述的一种可重构汽车振动能能量包，其特征在于：铁电材料层(4)材料选自钛酸钡、磷酸二氢钾、钛酸锶钡、铌酸钾钠其中的一种。


5.根据权利要求1所述的一种可重构汽车振动能能量包，其特征在于：上金属电极(21)、下金属电极(22)采用铝、或金或氧化铟锡导电玻璃制备。


6.根据权利要求1所述的一种可重构汽车振动能能量包，其特征在于：铁电材料层(4)为厚度为100nm～200nm的薄膜。


7.根据权利要求1所述的一种可重构汽车振动能能量包，其特征在于：上金属电...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏元捷，姚明亮，谢光忠，潘虹，陈春旭，龚祺琛，李炳宇，黎威志，太惠玲，杜晓松，蒋亚东，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：四川;51