一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机制造技术

本发明专利技术公开了一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，在人力驱动摇臂或风力驱动风力扇叶作用下带动转轴圆周运动，并由转轴带动外转子转动以实现通过筒形壳体内侧壁上的滚轴对弧形叶片状第一摩擦单元和弧形叶片状第二摩擦单元进行周期性按压，进而实现第一摩擦层和第二摩擦层的同步接触分离，第一摩擦层和第二摩擦层接触摩擦起电。本发明专利技术具有结构简单、外表美观、输出电压和电流在一定程度上可以调节控制等优点。节控制等优点。节控制等优点。

【技术实现步骤摘要】
一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机


[0001]本专利技术属于摩擦纳米发电机
，具体涉及一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机。

技术介绍

[0002]摩擦纳米发电机是由王中林院士及其科研团队于2012年开发的一种可以将机械能转换为电能的发电装置，自其诞生以来已经成功实现了将自然界中不同形式的机械能转化为电能，例如风能、潮汐能、雨滴落下的重力势能以及人体运动过程中的机械能等多种能量形式，成功实现了最高可达上千伏特的开路电压和毫安级别的短路电流。摩擦纳米发电机以其制作成本低廉、结构简单、转化效率高及无污染的特点，受到了越来越多科研工作者的关注。
[0003]随着科技的发展与进步，人们日常生活中所使用到的电子器件更新换代的速度逐渐加快，且电子设备的体积也越来越小，可移动性也越来越高，正因为如此，移动电源的需求量也变得越来越大。就目前而言，电能是人类赖以生存的最重要的能量形式之一，而获取电能的主要方式依然是传统火力发电，即燃烧化石燃料产生电能，在加重能源负担的同时对环境造成了严重的污染。同时，当佩戴的电子器件电能消耗殆尽时，如何对其充电是决定这类设备便携式发展的关键。摩擦纳米发电机作为一种清洁的电能获得装置，在产生电能的同时不会释放有害物质，且可以实现随时随地为电子设备充电的目的。
[0004]为了利用不同形式的机械能，研究者们开发出了不同结构的摩擦纳米发电机。如滚轮式摩擦纳米发电机能够将滚动的机械能转化为电能。但传统滚轮式摩擦纳米发电机在转动时由于摩擦力较大，造成摩擦层材料磨损严重，这不利于对滚动式机械能的收集利用，因此，探寻能够将滚动能转化为对摩擦层材料磨损影响较小的接触分离形式的能量，成为研究滚动式机械能的关键。此外，传统滚轮式摩擦纳米发电机制作过程较为繁琐，且操作难度较大。因此，如果能够将3D打印技术融入摩擦纳米发电机的制作过程，将对滚轮式摩擦纳米发电机制作的便捷性和自由性提升起到决定性作用。

技术实现思路

[0005]为了解决现有技术的不足，本专利技术提供了一种结构简单、设计合理且成本低廉的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，以此来解决摩擦纳米发电机在能量收集方面等问题。
[0006]为了达到上述技术目的，本专利技术采用的技术方案是：一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，其特征在于：该摩擦纳米发电机主要由内定子和外转子构成，其中内定子包括支撑柱及沿圆周方向依次均匀交替设置于支撑柱上的弧形叶片状第一摩擦单元和弧形叶片状第二摩擦单元，第一摩擦单元包括弧形长板状基底、覆盖于基底上的金属箔导电层和覆盖于金属箔导电层上的第一摩擦层，第二摩擦单元包括弧形长板状基底、覆盖于基底上的金属箔导电层和覆盖于金属箔导电层上的第二摩擦层，支撑柱的一端设有安装座且内
定子通过该安装座固定于支撑板上；外转子包括与内定子相配的筒形壳体及沿圆周方向均匀设置于筒形壳体内侧壁上的滚轴，筒形壳体铰接安装于支撑座上，该筒形壳体的一端固定安装有封装端盖，封装端盖外侧与转轴一端固定连接，转轴通过轴承座固定于支撑架上，转轴另一端与摇臂或风力扇叶连接，用于在人力驱动摇臂或风力驱动风力扇叶作用下带动转轴圆周运动，并由转轴带动外转子转动以实现通过筒形壳体内侧壁上的滚轴对弧形叶片状第一摩擦单元和弧形叶片状第二摩擦单元进行周期性按压，进而实现第一摩擦层和第二摩擦层的同步接触分离，第一摩擦层和第二摩擦层接触摩擦起电，第一摩擦层与第二摩擦层的接触面分别带符号相反的表面电荷，当两个接触面在外力作用而分离时，两个电极之间会形成感应电势差，通过负载连接两个电极，电子会通过负载从一个电极流向另一个电极，致使相互接触分离的第一摩擦层与第二摩擦层间电势周期性变化，驱动电子流向外电路产生交流电。
[0007]进一步限定，所述第一摩擦层均经高压设备进行高压5kV的电荷预注入极化处理，提高单位面积电荷密度，进而提高电流输出，通过这种方法可以使得第一摩擦层与第二摩擦层之间产生的电荷量更大，进而可以提升电流输出效率和数据输出稳定性。
[0008]进一步限定，所述第一摩擦单元与第二摩擦单元的摩擦层按照弧形均匀分布，形成面对面的形式，且所贴合的金属箔的形状和尺寸大小均相同。
[0009]进一步限定，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的形状和尺寸大小相同，但是厚度却并不相同，这样制作出的内定子在外界滚轴进行转动时可以产生不同大小的承受力，使得一组摩擦层能够贴合的更加紧密。
[0010]进一步限定，所述第一摩擦单元中第一摩擦层为聚合物薄膜，并均进行了高压5kV的电荷预注入处理，第二摩擦单元中的第二摩擦层均未做出电荷预注入处理。
[0011]进一步限定，所述第一摩擦单元中弧形长板状基底与第二摩擦单元中弧形长板基底材质相同，均为绝缘材料，并使用3D打印技术进行增材制造，所使用到的材料为TPU材料。
[0012]进一步限定，所述外转子使用的材料同样为3D打印技术进行的增材制造，使用材料为PLA材料。
[0013]进一步限定，所述第一摩擦单元与第二摩擦单元中的金属箔导电层面积和形状与第一摩擦层和第二摩擦层相等。
[0014]本专利技术设计并制作的一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，第一摩擦层均经过电荷预注入处理，提高摩擦层电荷密度；所述3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机整体结构采用多接触层同步接触分离的圆周阵列弧形长板结构，可以使各摩擦层能够同步进行接触分离式运动，大大的提高了空间利用率，在外观非常美观的前提下又兼顾了输出特性和输出稳定性；所述的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的摩擦层的数量可以根据应用场景和需求相应的增加或减少，控制其输出特性以扩大其应用范围。所述3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机可以在不同风俗环境下进行不同频率的接触分离运动，应用性较强。
[0015]本专利技术3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的输出性能由多重因素共同决定，包括摩擦层所选材料、摩擦接触层数量、连接风力扇叶的转轴的转动频率等，目前利用10个摩擦层制备的摩擦纳米发电机的最佳输出短路电流和开路电压分别为150μA和+90V（每个摩擦层有效接触面积为30cm2）。在应用上10个摩擦层摩擦纳米发电机可同时点亮70个LED灯。
[0016]本专利技术的有益效果是：本专利技术的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机具有结构简
单、外表美观、输出电压和电流在一定程度上可以调节控制等优点，这种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机可以将大自然中的风能、水流势能等机械能转化为圆周运动的的能量，并将这些能量转化为可以使两个摩擦层进行接触分离的挤压力，并产生电荷，应用范围广。
[0017]本专利技术提供的3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机的优势在于：（1）通过对两个摩擦层基底之间的距离进行严格把控和均匀划分，使各摩擦层能够尽量同步的进行接触或分离，尽可能的提高了摩擦纳米发电机的输出功率和输出稳定性，所述3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机在结构设计上有效利用了空间，并且该发电机的结构美观，同时也提高了摩擦纳米发电机的空间利用率。
[0018]（2）所述第一本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种3D打印的柔性涡旋状摩擦纳米发电机，其特征在于：该摩擦纳米发电机主要由内定子和外转子构成，其中内定子包括支撑柱及沿圆周方向依次均匀交替设置于支撑柱上的弧形叶片状第一摩擦单元和弧形叶片状第二摩擦单元，第一摩擦单元包括弧形长板状基底、覆盖于基底上的金属箔导电层和覆盖于金属箔导电层上的第一摩擦层，第二摩擦单元包括弧形长板状基底、覆盖于基底上的金属箔导电层和覆盖于金属箔导电层上的第二摩擦层，支撑柱的一端设有安装座且内定子通过该安装座固定于支撑板上；外转子包括与内定子相配的筒形壳体及沿圆周方向均匀设置于筒形壳体内侧壁上的滚轴，筒形壳体铰接安装于支撑座上，该筒形壳体的一端固定安装有封装端盖，封装端盖外侧与转轴一端固定连接，转轴通过轴承座固定于支撑架上，转轴另一端与摇臂或风力扇叶连接，用于在人力驱动摇臂或风力驱动风力扇叶作用下带动转轴圆周运动，并由转轴带动外转子转动以实现通过筒形壳体内侧壁上的滚轴对弧形叶片状第一摩擦单元和弧形叶片状第二摩擦单元进行周期性按压，进而实现第一摩擦层和第二摩擦层的同步接触分离，第一摩擦层和第二摩擦层接触摩擦起电，第一摩擦层与第二摩擦层的接触面分别带符号相反的表面电荷，当两个接触面在外力作用而分离时，两个电极之间会形成感应电势差，通过负载连接两个电极，电子会通过负载从...

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