一种纳米摩擦发电机制造技术

本发明专利技术提供了一种纳米摩擦发电机，属于纳米技术领域。本发明专利技术提供的纳米摩擦发电机，摩擦副包括含氢类金刚石碳膜和钢球，所述含氢类金刚石碳膜和钢球互相接触。本发明专利技术利用含氢类金刚石碳膜以及钢球作为互相接触的摩擦副制备了超滑摩擦状态的纳米摩擦发电机，该纳米摩擦发电装置摩擦系数小于0.01。本发明专利技术纳米摩擦发电机的低摩擦系数的原因包括以下几个方面：a.由于含氢类金刚石碳膜具备较高的含氢量，因此在摩擦时能够较好地钝化表面，使其滑动时具有较小的剪切力，降低了摩擦系数；b.含氢类金刚石碳膜表面粗糙度低(纳米级别)，所以在摩擦时能减少界面的机械互锁；c.在摩擦过程中会形成转移膜进一步降低摩擦。成转移膜进一步降低摩擦。成转移膜进一步降低摩擦。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米摩擦发电机


[0001]本专利技术涉及纳米
，尤其涉及一种纳米摩擦发电机。

技术介绍

[0002]摩擦纳米发电机是一种常见的自供能能量收集装置，被广泛应用于自供能的传感及环境检测。它将自然界或者机械运动中的震动、摩擦等过程中的能量收集起来，并可以与自然界中的风力大小、海洋波动剧烈程度、机械运动频率等因素关联起来。但是常规的摩擦纳米发电机大多数由高分子材料薄膜作为摩擦副(如尼龙、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯、聚丙烯、聚甲醛等)，由于高分子聚合物材料不耐磨损，会很容易被磨穿，使得电极暴露从而导致器件失效。常规的摩擦副材料之间的摩擦系数一般在0.01到1之间，不利于摩擦纳米发电机的长期服役。
[0003]为了提高摩擦纳米发电机的服役寿命是非常重要的，目前已经有很多提高其寿命的方法和手段。比如将单个摩擦副改进为有中间层的多个摩擦副，一旦表面层的摩擦副磨损后，中间层材料还可以继续充当新的摩擦副材料，避免短路风险。此类纳米摩擦发电机一般选择耐磨损的材料作为中间层，比如聚酰亚胺等材料。另外将硬对硬界面的接触转变为软对硬界面的接触，可以使接触时对摩擦副的损伤减小，避免对材料的犁耕，从而实现减小摩擦副界面的磨损。另外，在摩擦副接触界面之间添加润滑油(PAO4、PAO10或正十六烷)，也可以减小摩擦磨损的有效方法，还可以在一定程度范围内增大纳米摩擦发电机的输出。但是在宏观尺度下实现超润滑摩擦状态下的电能输出仍然没有实现。

技术实现思路

[0004]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种纳米摩擦发电机。本专利技术提供的纳米摩擦发电机具有超低的摩擦系数以及极低的磨损率，能够在宏观尺度下实现超润滑摩擦状态下的电能输出。
[0005]为了实现上述专利技术目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0006]本专利技术提供了一种纳米摩擦发电机，摩擦副包括含氢类金刚石碳膜和钢球，所述含氢类金刚石碳膜和钢球互相接触。
[0007]优选地，所述钢球的材质为轴承钢或不锈钢。
[0008]优选地，所述轴承钢为GCr15。
[0009]优选地，所述不锈钢为316L不锈钢。
[0010]优选地，所述钢球的直径为3～10mm。
[0011]优选地，所述钢球的直径为6mm。
[0012]优选地，所述含氢类金刚石碳膜由包括以下步骤的方法制得：
[0013]在保护气氛下，以第一靶为靶材进行第一磁控溅射后，再以石墨靶为靶材进行第二磁控溅射，在所述第一靶的表面得到所述含氢类金刚石碳膜，所述第二磁控溅射时通入CH4。
[0014]优选地，所述第二磁控溅射的偏压为
‑
100～
‑
300V，占空比为10％～30％，沉积时间为1～5h。
[0015]优选地，所述纳米摩擦发电机还包括中间层材料，所述含氢类金刚石碳膜负载在所述中间层材料的表面，所述中间层材料为硅、铬、镍或钛。
[0016]优选地，所述纳米摩擦发电机还包括电极，所述电极位于所述中间层材料的垂直下方，所述电极的材质为不锈钢、金、铜、钢、铬、银或碳。
[0017]本专利技术提供了一种纳米摩擦发电机，摩擦副包括含氢类金刚石碳膜和钢球，所述含氢类金刚石碳膜和钢球互相接触。
[0018]本专利技术利用含氢类金刚石碳膜(含氢非晶碳膜)以及钢球作为互相接触的摩擦副制备了超滑摩擦状态的纳米摩擦发电机，该纳米摩擦发电装置摩擦系数小于0.01，在宏观的摩擦条件下实现了超润滑的摩擦状态，实现了在超润滑状态下将机械能转化为电能的功能，在材料的长寿命能源收集利用和自供电传感器的应用中具有广阔的应用前景。本专利技术纳米摩擦发电机的低摩擦系数的原因包括以下几个方面：a.由于含氢类金刚石碳膜具备较高的含氢量，因此在摩擦时能够较好地钝化表面，使其滑动时具有较小的剪切力，降低了摩擦系数；b.含氢类金刚石碳膜表面粗糙度低(纳米级别)，所以在摩擦时能减少界面的机械互锁；c.在摩擦过程中会形成转移膜进一步降低摩擦。
[0019]并且，由于钢和含氢类金刚石碳膜的接触存在界面的摩擦伏特效应，所产生的电流为直流信号，无需整流就可以实现直流输出。
附图说明
[0020]图1为本专利技术实施例中纳米摩擦发电机的结构示意图，其中，1为钢球，2为含氢类金刚石碳膜，3为中间层材料，4为电极，5为金属导线，6为地线，7为电流表或者外部负载；
[0021]图2为实施例1和对比例1中不同的纳米摩擦发电机的摩擦系数和电流曲线；
[0022]图3为实施例2和对比例2中不同的纳米摩擦发电机的摩擦系数和电流曲线。
具体实施方式
[0023]本专利技术提供了一种纳米摩擦发电机，摩擦副包括含氢类金刚石碳膜和钢球，所述含氢类金刚石碳膜和钢球互相接触。
[0024]在本专利技术中，所述含氢类金刚石碳膜和钢球始终保持着相互接触，在连续摩擦过程中，以含氢类金刚石碳膜以及钢球组成的摩擦副互相接触并摩擦，用于机械能量的收集。
[0025]在本专利技术中，所述纳米摩擦发电机在使用时，所述摩擦副直接由商用摩擦试验机驱动，在惰性氮气气氛中以球
‑
盘摩擦方式实现超润滑摩擦运动。
[0026]本专利技术对所述含氢类金刚石碳膜和钢球的来源没有特殊的限定，采用本领域技术人员熟知的市售商品或者采用本领域技术人员熟知的制备方法制得即可。
[0027]在本专利技术中，所述钢球的材质优选为轴承钢或不锈钢。
[0028]在本专利技术中，所述轴承钢优选为GCr15。
[0029]在本专利技术中，所述不锈钢优选为316L不锈钢。
[0030]在本专利技术中，所述钢球的直径优选为3～10mm，更优选为6mm。
[0031]在本专利技术中，所述含氢类金刚石碳膜的厚度优选为1.5～10μm。
[0032]在本专利技术中，所述纳米摩擦发电机优选还包括中间层材料，所述含氢类金刚石碳膜负载在所述中间层材料的表面，所述中间层材料优选为硅、铬、镍或钛。在本专利技术中，所述中间层材料的作用是增强含氢类金刚石碳膜与电极之间的结合力。
[0033]在本专利技术中，所述中间层材料的厚度优选为100nm～1μm。
[0034]在本专利技术中，所述纳米摩擦发电机还包括电极，所述电极优选位于所述中间层材料的垂直下方，所述电极的材质优选为不锈钢、金、铜、钢、铬、银或碳。
[0035]在本专利技术中，所述含氢类金刚石碳膜优选由包括以下步骤的方法制得：
[0036]在保护气氛下，以第一靶为靶材进行第一磁控溅射后，再以石墨靶为靶材进行第二磁控溅射，在所述第一靶的表面得到所述含氢类金刚石碳膜，所述第二磁控溅射时通入CH4。
[0037]在本专利技术中，当所述电极的材质优选为不锈钢时，本专利技术制备所述含氢类金刚石碳膜时优选还包括：对基底进行预处理，得到预处理基底，然后在在保护气氛下，以第一靶为靶材进行第一磁控溅射后，再以石墨靶为靶材进行第二磁控溅射，在所述预处理基底的表面得到所述含氢类金刚石碳膜。
[0038]在本专利技术中，当所述电极的材质优选为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米摩擦发电机，其特征在于，摩擦副包括含氢类金刚石碳膜和钢球，所述含氢类金刚石碳膜和钢球互相接触。2.根据权利要求1所述的纳米摩擦发电机，其特征在于，所述钢球的材质为轴承钢或不锈钢。3.根据权利要求2所述的纳米摩擦发电机，其特征在于，所述轴承钢为GCr15。4.根据权利要求2所述的纳米摩擦发电机，其特征在于，所述不锈钢为316L不锈钢。5.根据权利要求1所述的纳米摩擦发电机，其特征在于，所述钢球的直径为3～10mm。6.根据权利要求1或5所述的纳米摩擦发电机，其特征在于，所述钢球的直径为6mm。7.根据权利要求1所述的纳米摩擦发电机，其特征在于，所述含氢类金刚石碳膜由包括以下步骤的方法制得：在保护气氛下，以第一靶为靶材进行第一磁控溅射后，再...

【专利技术属性】
技术研发人员：王道爱，张立强，李小娟，冯雁歌，周峰，
申请(专利权)人：青岛市资源化学与新材料研究中心，
类型：发明
国别省市：