基于4D打印的摩擦纳米发电机、能量收集装置及制备方法制造方法及图纸

本发明专利技术提供一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，包括上下平行放置的第一基底层和第二基底层，设置在第一基底层的下表面的第一导电层，设置在第二基底层上表面的第二导电层，第一导电层和第二导电层之间电性连接，设置在第一导电层的下表面或第二导电层上表面的第一摩擦层，其中所述第一基底层、第二基底层和第一摩擦层采用4D打印技术形成，所述第一摩擦层和第二导电层或第一导电层相对设置且进行接触

【技术实现步骤摘要】
基于4D打印的摩擦纳米发电机、能量收集装置及制备方法


[0001]本专利技术涉及4D打印技术和摩擦纳米发电机技术结合的领域，更具体地，涉及一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机和能量收集装置。

技术介绍

[0002]化石能源的大量使用，推动了全球变暖和能源危机，寻找一种清洁可再生的绿色能源以缓解人类发展面临的困境变得尤为紧迫。作为一种新型的微纳能源收集技术，摩擦纳米发电机可以高效地将机械能转换为电能。与传统的发电技术相比，摩擦纳米发电机结构简单、成本低廉、能量转换效率高、选材范围广泛，在机械能收集领域具有极高的应用潜力。
[0003]在当前情况下，摩擦纳米发电机的发展与应用仍然存在一些限制。首先，制备摩擦纳米发电机的传统工艺往往是通过组件的加工、组装，最终得到完整的摩擦纳米发电机，然而，使用这样的工艺难以得到结构复杂且精细的器件。其次，由于摩擦纳米发电机在工作过程中需要介电材料之间不断进行摩擦、分离，使得介电材料受损，进而导致摩擦纳米发电机的性能下降，器件寿命降低。
[0004]专利文献CN108964511A(公开日20181207)公开了一种基于3D打印技术的摩擦纳米发电机及其制作方法，其通过复杂的机械结构设计，使用3D打印技术完成对各单元结构的制作，将各个摩擦纳米发电机单元装配在对应位置，最后装配成一个高输出性能、低成本的摩擦纳米发电机。但其制备流程复杂，制备效率和制备精度不高，且制作出的摩擦纳米发电机的使用寿命不尽如人意。
[0005]为了推动摩擦纳米发电机的应用与发展，迫切需要一种全新的工艺，以提高摩擦纳米发电机的制备效率、制备精度，并同时提高摩擦纳米发电机的使用寿命。

技术实现思路

[0006]本专利技术旨在至少在一定程度上解决上述制备效率和精度不高，以及器件寿命偏低的技术问题。
[0007]本专利技术的首要目的是提供一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机。
[0008]为解决上述技术问题，本专利技术的技术方案如下：一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，包括上下平行放置的第一基底层和第二基底层，设置在第一基底层的下表面的第一导电层，设置在第二基底层上表面的第二导电层，第一导电层和第二导电层之间电性连接，设置在第一导电层的下表面或第二导电层上表面的第一摩擦层，其中所述第一基底层、第二基底层和第一摩擦层采用4D打印技术形成，所述第一摩擦层和第二导电层或第一导电层相对设置且进行接触
‑
分离的往复运动。
[0009]优选地，所述第一基底层、第二基底层和第一摩擦层采用形状记忆聚合物或自修复材料。
[0010]优选地，打印采用油墨直写或数字光固化的方法。
[0011]优选地，在第一基底和第二基底层表面喷涂具有导电物质的挥发溶液，将溶剂挥发后得到第一导电层和第二导电层。
[0012]优选地，所述导电物质包括银纳米线、碳纳米管或石墨烯。
[0013]优选地，所述第一摩擦层具有凸起或凹槽。
[0014]优选地，第一基底层和第二基底层的两端两侧端部通过连接部连接成环形结构。
[0015]优选地，所述连接部与第一基底层和第二基底层一体打印而成。
[0016]本专利技术的进一步目的是提供一种机械能收集装置，将所述的4D打印技术的摩擦纳米发电机设置为鞋垫形状，用于收集人体行走产生的机械能，其中所述第一基底层和第二基底层的两端具有连接部。
[0017]本专利技术的第三个目的是提供一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：
[0018]S1、设计出接触
‑
分离式摩擦纳米发电机模型；
[0019]S2、建模后对该模型的工作过程进行受力分析并对电势场分布进行仿真测试；
[0020]S3、将测试好的模型导入切片软件进行切片分层，根据模型的实际结构选择加工顺序并生成加工指令；
[0021]S4、将加工指令导入3D打印机，分别完成对第一基底层、第二基底层以及第一摩擦层的逐层打印加工；若加工过程中遇到打印产品出现不符合使用要求的问题，则返回S1，重新完成模型的设计和仿真测试并生成新的加工指令；
[0022]S5、将打印加工完成的第一基底层的下表面和第二基底层的上表面使用喷涂机喷涂掺有导电物质的溶液，将溶液挥发后即可得到第一导电层和第二导电层；
[0023]S6、将制备有导电层的第一基底层、第二基底层和第一摩擦层装配成摩擦纳米发电机。
[0024]与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：
[0025]1、本专利技术通过4D打印技术完成摩擦纳米发电机的主体结构的制备，简化了摩擦纳米发电机制备流程并提高了制备精度。由于聚氨酯具备形状记忆的功能使得打印出的物体具有形状记忆功能，在作为功能器件工作时，应对一些由于器件变形、磨损导致的性能衰减时，良好的形状记忆功能可以使器件形状得以恢复，同时器件的输出性能也能得到有效恢复，因此极大地提升了摩擦纳米发电机的使用寿命。同时提供了一种制备器件表面的形貌的可行方法。4D打印技术使摩擦层具有丰富的表面形貌，可以增大器件的有效接触面积，从而提升器件的输出性能。
[0026]2、基于4D打印技术制备的鞋垫状能量收集装置在实际工作中可以有效收集人体行走产生的机械能，并将其转换为电能。
附图说明
[0027]图1为本专利技术实施例1提供的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机的平面示意图。
[0028]图2为本专利技术实施例1提供的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机的立体图。
[0029]图3为本专利技术实施例1提供的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机的峰值电压随第一摩擦层与第一导电层或第二导电层之间间隙宽度变化的示意图。
[0030]图4为本专利技术实施例1提供的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机工作中的首次对
两个基底层施加压力导致产生摩擦起电的过程。
[0031]图5为本专利技术实施例1提供的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机工作中外力撤去后第一摩擦层和第二导电层相互远离的过程。
[0032]图6为本专利技术实施例1提供的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机的两个基底层恢复初始位置的过程。
[0033]图7为本专利技术实施例1提供的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机的再次对两个基底层施加压力的过程。
[0034]图8为本专利技术实施例1提供的输出电压变化图。
[0035]图9为本专利技术实施例2提供的能量收集装置的立体图。
[0036]图10为本专利技术实施例2提供的输出电压变化图。
[0037]图11为本专利技术实施例3提供的一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机的制备方法步骤流程图。
具体实施方式
[0038]附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；
[0039]为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；
[0040]对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。
[0041]本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括上下平行放置的第一基底层(11)和第二基底层(15)，设置在第一基底层(11)下表面的第一导电层(12)，设置在第二基底层(15)上表面的第二导电层(14)，第一导电层(12)和第二导电层(14)之间电性连接，设置在第一导电层(12)下表面或第二导电层(14)上表面的第一摩擦层(13)，其中所述第一基底层(11)、第二基底层(15)和第一摩擦层(13)采用4D打印技术形成，所述第一摩擦层(13)与第二导电层(14)或第一导电层(12)之间设有间隙且进行接触
‑
分离的往复运动。2.如权利要求1所述的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于所述第一基底层(11)、第二基底层(15)和第一摩擦层(13)采用形状记忆聚合物层或自修复材料层。3.如权利要求1所述的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于4D打印采用熔融沉积式打印、油墨直写打印或数字光处理打印。4.如权利要求1所述的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于在第一基底层(11)和第二基底层(15)表面喷涂具有导电物质的挥发溶液，将溶剂挥发后得到第一导电层(12)和第二导电层(14)。5.如权利要求4所述的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于所述导电物质包括银纳米线、碳纳米管或石墨烯。6.如权利要求1所述的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于所述第一摩擦层(13)表面具有凸起或凹...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩建成，黄龙彪，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：