摩擦纳米发电机及制备方法、自供能传感系统及关节角度检测方法技术方案

本发明专利技术提供了一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，包括第一基底层、摩擦单元的第一摩擦发电部件，若干摩擦单元以第一基底层的几何中心为圆心间隔排列；包括第二基底层、第一电极、第二电极的第二摩擦发电部件，若干第一电极和若干第二电极以第二基底层的几何中心为圆心相互间隔设置，且第一电极与第二电极之间设有间隙；第一基底层和第二基底层通过彼此设有的凸缘和凹槽插装在一起，使摩擦单元与第一电极和第二电极相互接触摩擦。本发明专利技术还提供了一种自供能传感系统、关节转动角度的检测方法和4D打印摩擦纳米发电机的制备方法。本发明专利技术在解决了传感装置的制备流程复杂，制备效率和精度低且制作的传感装置的使用寿命短的技术问题。

【技术实现步骤摘要】
摩擦纳米发电机及制备方法、自供能传感系统及关节角度检测方法
本专利技术涉及4D打印技术、传感技术和自供能系统相结合的交叉
，更具体地，涉及一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机、自供能传感系统、基于所述自供能传感系统的关节转动角度的检测方法以及所述基于4D打印技术的摩擦纳米发电机的制备方法。
技术介绍
随着物联网时代的到来，大量的便携式电子设备得以应用，这些电子设备的供电方式普遍选择使用电池进行供电。但使用电池供电需要进行频繁充电或更换电池，同时废弃的电池还会带来严重的环境污染。因此，迫切需要一种不需要外部电源供电即可实现检测的自供能传感技术。为了解决这一问题，基于摩擦纳米发电机的自供能传感系统得到了广泛的关注。然而，在实现普遍应用的道路上，基于摩擦纳米发电机的自供能传感系统仍然存在一些问题。首先，当器件长期工作时，器件性能会出现衰减，从而导致检测结果出现错误。其次，基于摩擦纳米发电机的自供能传感器的制备工艺相对落后。最后，传统的制备工艺通过对各组件的加工、组装，并最终装配成一个完整的器件；然而这样的工艺很难保证同一批器件的性能，并最终影响检测效果。专利文献CN111564985A(公开日2020年08月21日)公开了一种传感式摩擦纳米发电机、轮胎的传感装置及力监测系统，其中通过对摩擦纳米发电机的结构进行设计，将各个基底层、电极层以及摩擦层依次粘贴在柔性基底层内壁，从而得到一个相对封闭的摩擦纳米发电机；摩擦层在预紧力的作用下相互接触；当基底层的两侧受到相反的作用力时，摩擦层相互远离，从而产生一个与形变量有关的电信号；根据电信号的特征即可判断摩擦纳米发电机的形变特征，从而使该专利技术的传感式摩擦纳米发电机具备感应功能。但其制备流程复杂，制备效率和制备精度不高，且制作出的传感装置的使用寿命不尽如人意。为了推动基于摩擦纳米发电机的传感装置应用与发展，迫切需要一种全新的工艺，以提高传感装置的制备效率、制备精度，并同时提高传感装置的使用寿命。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决传感装置的制备流程复杂，制备效率和制备精度不高，且制作出的传感装置的使用寿命不尽如人意的技术问题。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。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，包括可相对转动的第一摩擦发电部件和第二摩擦发电部件；所述第一摩擦发电部件包括第一基底层、设置在第一基底层表面的的摩擦单元，所述若干摩擦单元以第一基底层的中心为圆心间隔排列；所述第二摩擦发电部件包括第二基底层、设置在第二基底层内表面的第一电极、第二电极，若干第一电极和若干第二电极以第二基底层的几何中心为圆心相互间隔设置，且第一电极与第二电极之间设有间隙；第一基底层和第二基底层通过彼此设有的凸缘和凹槽插装在一起，从而使摩擦单元与第一电极和第二电极能相互转动及接触摩擦；其中第一摩擦发电部件和第二基底层采用4D打印技术制备而成。优选地，所述4D打印采用形状记忆聚合物或自修复材料，采用熔融沉积式打印、油墨直写打印或数字光处理打印。优选地，所述摩擦单元表面具有凸起或凹槽。优选地，在所述第二基底层的表面喷涂具有导电物质的溶液并将溶剂挥发后得到所述第一电极和第二电极，所述导电物质包括银纳米线、碳纳米管或石墨烯。优选地，所述第一摩擦发电部件和第二摩擦发电部件的纵向截面形状为多边形或曲边状。优选地，每个所述摩擦单元对应的圆心角为a，相邻两个摩擦单元之间相隔相同的圆心角b；每个第一电极对应的圆心角为c，每个第二电极对应的圆心角为e，其中a＝c＝d，b＝c+2*e。本专利技术的进一步目的是提供一种自供能传感系统，将所述基于4D打印技术的摩擦纳米发电机装配在关节处，其中第一摩擦发电部件和第二摩擦发电部件装设在关节的一侧，当关节发生运动时带动其中一个摩擦发电部件与另一个摩擦发电部件之间发生相对转动从而产生交流电信号，根据交流电信号的特征即可推断关节运动的角度。本专利技术的第三个目的是提供一种基于所述自供能传感系统的关节转动角度的检测方法，包括以下步骤：S1、分别测得不同转动角度下所述摩擦纳米发电机输出电信号的相位，并建立“转动角度—输出电信号相位”的对应关系表；S2、实时获取安装在关节处的所述自供能传感系统的输出电信号，并对所述输出电信号做进行平滑和降噪处理；S3、检测步骤S2中经过平滑和降噪处理后的输出电信号对应的相位信息；S4、根据步骤S1中标定“转动角度-输出信号相位”的对应关系表，将输出电信号的相位信息进行匹配；S5、根据S4中输出电信号的相位信息与转动角度的匹配结果，获取关节转动角度。优选地，在步骤S2中，在关节处同时安装多个自供能传感系统，相应地在步骤S3中求取多个经过平滑和降噪处理后的输出电信号对应的相位信息的平均值作为最终的相位信息。本专利技术的第四个目的是提供一种4D打印技术的摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：S1、设计出独立层式摩擦纳米发电机模型；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；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；S4、将加工指令导入3D打印机，分别完成对第一摩擦发电部件和第二基底层的打印加工；若加工过程中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；S5、将打印加工完成的第二基底层的表面使用喷涂机喷涂掺有导电物质的挥发溶液，将溶剂挥发后即可得到第一电极和第二电极；S6、将制备有第一电极和第二电极的第二摩擦发电部件和第一摩擦发电部件装配成摩擦纳米发电机。与现有技术相比，本专利技术技术方案的有益效果是：1、本专利技术通过将4D打印技术引入到摩擦纳米发电机的制备中，设计并制备一个独立层式摩擦纳米发电机。首先，4D打印技术的引进，使得摩擦纳米发电机实现了个性化、高精度、高效率的制备，并且可以在摩擦单元表面制作表面凸起或凹槽，以增大接触面积，进而提升摩擦纳米发电机的输出性能；其次，使用形状记忆材料制得的摩擦纳米发电机还具备形状记忆功能，当使用过程中出现有器件变形导致的性能衰减时，只需将变形的器件置于一定条件下，器件的形状就能得到恢复，性能也会随之恢复，从而间接提高了摩擦纳米发电机的使用寿命。2、本专利技术将所述独立层式摩擦纳米发电机装配在关节处作为自供能传感系统并结合一种新的关节转动角度的检测方法，将所述摩擦纳米发电机用于检测关节运动的自供能传感器。不同于以往的传感式摩擦纳米发电机通过检测输出信号的强弱来实现检测的方法，本专利技术从摩擦纳米发电机输出信号的原理出发，根据摩擦发电组件之间相对转动角度与输出电信号的特征之间的关系，来判断关节运动的角度，这种方式可以有效规避由于器件性能衰减造成的检测误差，从而提高检测的可靠性。附图说明图1为本专利技术实施例1提供的基于4D打印技术的摩本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于，包括可相对转动的第一摩擦发电部件(1)和第二摩擦发电部件(2)；所述第一摩擦发电部件(1)包括第一基底层(11)、设置在第一基底层(11)表面的摩擦单元(12)，所述若干摩擦单元(12)以第一基底层的几何中心为圆心间隔排列；所述第二摩擦发电部件(2)包括第二基底层(21)、设置在第二基底层(21)表面的第一电极(22)、第二电极(23)，若干第一电极(22)和若干第二电极(23)以第二基底层(21)的几何中心为圆心相互间隔设置，且第一电极(22)与第二电极(23)之间设有间隙；第一基底层(11)和第二基底层(21)通过彼此设有的凸缘(24)和凹槽(13)插装在一起，使摩擦单元(12)与第一电极(22)和第二电极(23)能相互转动及接触摩擦；其中第一摩擦发电部件(1)和第二基底层(21)采用4D打印制备而成。/n

【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，包括可相对转动的第一摩擦发电部件(1)和第二摩擦发电部件(2)；所述第一摩擦发电部件(1)包括第一基底层(11)、设置在第一基底层(11)表面的摩擦单元(12)，所述若干摩擦单元(12)以第一基底层的几何中心为圆心间隔排列；所述第二摩擦发电部件(2)包括第二基底层(21)、设置在第二基底层(21)表面的第一电极(22)、第二电极(23)，若干第一电极(22)和若干第二电极(23)以第二基底层(21)的几何中心为圆心相互间隔设置，且第一电极(22)与第二电极(23)之间设有间隙；第一基底层(11)和第二基底层(21)通过彼此设有的凸缘(24)和凹槽(13)插装在一起，使摩擦单元(12)与第一电极(22)和第二电极(23)能相互转动及接触摩擦；其中第一摩擦发电部件(1)和第二基底层(21)采用4D打印制备而成。


2.根据权利要求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4D打印采用形状记忆聚合物或自修复材料，采用熔融沉积式打印、油墨直写打印或数字光处理打印。


3.根据权利要求1所述的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于所述摩擦单元(12)表面具有凸起或凹槽。


4.根据权利要求1所述的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于在所述第二基底层(21)表面喷涂具有导电物质的溶液并将溶剂挥发后得到所述第一电极(22)和第二电极(23)，所述导电物质包括银纳米线、碳纳米管或石墨烯。


5.根据权利要求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)和第二基底层(21)的纵向截面形状为多边形或曲边形。


6.根据权利要求1所述的基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，其特征在于每个所述摩擦单元(12)对应的圆心角为a，相邻两个摩擦单元(12)之间相隔相同的圆心角b；每个第一电极(22)对应的圆心角为c，每个第二电极(23)对应的圆心角为e，其中a＝c＝d，b＝c+2*e。


7.一种自供能传感系统，其特征在于将权利要求1-6任一项所述基于4D打印技术的摩擦纳米发...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄龙彪，韩建成，
申请(专利权)人：深圳大学，
类型：发明
国别省市：广东;44