基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机制造技术

本发明专利技术公开基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机，所述发电机的正电极上的正介电膜的面积小于第一导电部件的面积，负电极上负介电膜的面积小于第二导电部件的面积。通过将发电机的正、负电极中正介电膜、负介电膜的面积均小于对应导电部件，实现直流输出，同时由于接触面积的减小，从而减小摩擦力和损耗，提高了耐久性。高了耐久性。高了耐久性。

【技术实现步骤摘要】
基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机


[0001]本专利技术涉及发电机
，特别涉及基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机。

技术介绍

[0002]随着新时代物联网(IOT)和大数据(BD)的快速发展，数以亿计的分布式传感器网络被开发出来用于收集和转换周围环境的信息，因此分布式和持续性供电成为了迫切的需求和巨大的挑战。
[0003]摩擦纳米发电机(TENG)作为一种新型的能量转换技术，为捕获低频机械能(如振动能、风能、水能等)转化为电能提供了一种有前景的技术方案。此外，TENG在IOT、BD和环境监测的大规模应用中也表现出了很好的优点，如：制备成本低、材料选择丰富、结构设计简单和环保等优点，其在微
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纳能源采集及自供电传感器网络等各领域吸引了研究者们的广泛关注。
[0004]根据TENG的工作机理和输出信号类型，TENG大致可分为两类：(一)基于摩擦起电和静电感应的耦合，TENG产生交流电流输出(AC
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TENG)；(二)基于摩擦起电和空气击穿的耦合，TENG产生直流电流输出(DC
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TENG)，DC
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TENG在不需整流电路和储能单元情况下可以直接向电子器件供电。目前，通过使用单元集成的DC
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TENG器件可以达到超高的总输出电荷密度。
[0005]然而，普通的DC
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TENG在运行过程中缺乏电荷积累过程，其有效电荷密度严重依赖于表面接触力。很明显，由于高的表面接触力，会产生强烈的机械磨损，这是实际应用的瓶颈问题。有趣的是，基于摩擦起电和静电感应的AC
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TENG能够不断积累摩擦电荷。AC
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TENG即使在较低的表面接触力下也能产生理想的有效电荷密度。然而，由于大多数电子器件需要直流电源，AC
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TENG在没有整流电路的情况下不能直接驱动它们。因此，有必要探索一种新型的DC
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TENG，使其在低的表面接触力下仍然具有理想的直流输出。

技术实现思路

[0006]针对现有技术中普通DC
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TENG因表面接触力较高导致机械磨损较大的问题，本专利技术提出基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机，通过将发电机的正、负电极中正介电膜、负介电膜的面积均小于对应导电部件，实现直流输出，低的表面接触力减小材料磨损，提高了耐久性。
[0007]为了实现上述目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0008]一种基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机，所述发电机的正电极上的正介电膜13的面积小于第一导电部件12的面积，负电极上负介电膜23的面积小于第二导电部件22的面积。
[0009]优选地，所述发电机包括正电极和负电极；
[0010]所述正电极包括第一导电部件12和正介电膜13，正介电膜13覆盖在第一导电部件
12的上表面；所述负电极包括第二导电部件22和负介电膜23，负介电膜23覆盖在第二导电部件22的上表面。
[0011]优选地，所述发电机包括接触
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分离模式、滑动模式和转动模式。
[0012]优选地，所述接触
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分离模式的发电机结构为：
[0013]第一导电部件12在第一基底11的上表面，正介电膜13在第一导电部件12的上表面；第二导电部件22在第二基底21的上表面，负介电膜23在第二导电部件22的上表面；摩擦电极和正电极、负电极之间做分离往返运动，进行电荷的转移。
[0014]优选地，所述摩擦电极还分别和第一导电部件12、第二导电部件22进行接触导电。
[0015]优选地，所述滑动模式或转动模式的发电机结构为：
[0016]正介电膜13在第一导电部件12的上表面，负介电膜23在第二导电部件22的上表面，第一导电部件12和第二导电部件22间隔地贴在第四基底111上；摩擦电极包括第三导电部件42和第三基底41，第三导电部件42在第三基底41的下表面。
[0017]优选地，所述第一导电部件12的侧边设有垂直的第一凸起121，第三导电部件42的侧边设有第二凸起421，第一凸起121和第二凸起421接触导电。
[0018]优选地，所述第一基底11和第二基底21采用绝缘材料；第一导电部件12和第二导电部件22采用导电材料；正介电膜13采用摩擦后带正电的材料，负介电膜23采用摩擦后带负电的材料。
[0019]优选地，所述摩擦电极的材料为柔性的碳凝胶，用于和第一导电部件12、第二导电部件22实现软接触。
[0020]优选地，所述正介电膜13的长度和第一导电部件12的长度相同，正介电膜13的宽度为第一导电部件12的宽度的k倍，k＜1且为正数；负介电膜23的长度和第二导电部件22的长度相同，负介电膜23的宽度为第二导电部件22的宽度的k倍，k＜1且为正数。
[0021]综上所述，由于采用了上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术至少具有以下有益效果：
[0022]本专利技术中，正、负电极的介质膜与摩擦电极进行摩擦起电，然后分别与正、负电极对应的导电部件感应起电，但发电机的正、负电极中正介电膜、负介电膜的面积均小于对应导电部件，从而使得摩擦电极与感应起电的导电部件进行电荷转移，实现直流输出；
[0023]同时由于正介电膜、负介电膜的面积均小于对应导电部件即接触面积减小，摩擦电极在运动过程中，没有时刻与正介电膜、负介电膜接触，从而减小摩擦力和损耗，提高了耐久性。
附图说明：
[0024]图1为根据本专利技术示例性实施例的接触
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分离模式的发电机示意图。
[0025]图2为接触
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分离模式的发电机输出直流的原理示意图，图2(i)表示摩擦电极与正电极的正介电膜接触时的电荷分布，图2(ii)表示摩擦电极与负电极的负介电膜初始接触时的电荷分布，图2(iii)表示摩擦电极与负电极的第二导电部件接触时的电荷分布，图2(iv)表示摩擦电极与负电极的负介电膜分离时的电荷分布，图2(v)表示摩擦电极与正电极的正介电膜初始接触的电荷分布，图2(vi)表示摩擦电极与正电极的第一导电部件接触时的电荷分布。
[0026]图3为根据本专利技术示例性实施例的接触
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分离模式的发电机短路电流和转移电荷的输出曲线图.
[0027]图4为根据本专利技术示例性实施例的滑动或转动模式的发电机示意图。
[0028]图5为根据本专利技术示例性实施例的滑动或转动模式的发电机中滑动电极和导电部件示意图。
[0029]图6为滑动或转动模式的发电机输出直流的原理示意图，图6(i)表示摩擦电极与负电极的负介电膜初始接触时的电荷分布，图6(ii)表示摩擦电极与正电极的正介电膜初始接触时的电荷分布，图6(iii)表示摩擦电极与正电极的正介电膜接触时的电荷分布，图6(iv)表示摩擦电极与正电极的正介电膜初始分离时的电荷分布。
[0030]图7为根据本本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机，其特征在于，所述发电机的正电极上的正介电膜(13)的面积小于第一导电部件(12)的面积，负电极上负介电膜(23)的面积小于第二导电部件(22)的面积。2.如权利要求1所述的基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机，其特征在于，所述发电机包括正电极和负电极；所述正电极包括第一导电部件(12)和正介电膜(13)，正介电膜(13)覆盖在第一导电部件(12)的上表面；所述负电极包括第二导电部件(22)和负介电膜(23)，负介电膜(23)覆盖在第二导电部件(22)的上表面。3.如权利要求2所述的基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机，其特征在于，所述发电机包括接触
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分离模式、滑动模式和转动模式。4.如权利要求3所述的基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机，其特征在于，所述接触
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分离模式的发电机结构为：第一导电部件(12)在第一基底(11)的上表面，正介电膜(13)在第一导电部件(12)的上表面；第二导电部件(22)在第二基底(21)的上表面，负介电膜(23)在第二导电部件(22)的上表面；摩擦电极和正电极、负电极之间做分离往返运动，进行电荷的转移。5.如权利要求4所述的基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦电极还分别和第一导电部件(12)、第二导电部件(22)进行接触导电。6.如权利要求3所述的基于摩擦和静电感应的直流摩擦纳米发电机，其特征在于，所述滑动模式或转动模式的...

【专利技术属性】
技术研发人员：付绍珂，程云涛，胡陈果，孙宽，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：