一种基于植物纤维毛刷的软接触低阻尼摩擦纳米发电机制造技术

本发明专利技术公开了一种基于植物纤维毛刷的软接触低阻尼摩擦纳米发电机。包含转子、定子、铜电极、摩擦电负性材料和植物纤维毛刷；转子位于定子内，定子内周面覆盖设有铜电极，转子外周面至少一处设置有摩擦电负性材料，摩擦电负性材料和铜电极不接触、具有空气间隙；定子内周面还设有至少一处植物纤维毛刷；转子在旋转过程中摩擦电负性材料和植物纤维毛刷刮擦软接触以传递电荷。本发明专利技术用植物纤维材料作为一种柔软的良好的电荷补充材料，在器件运行的过程可以补充器件的电荷损耗，同时可以减少铜电极和聚氯乙烯膜直接接触的磨损，提高了TENG的耐久性和输出功率密度，降低TENG运行过程中的阻尼。阻尼。阻尼。

A soft contact low damping friction nano generator based on plant fiber brush

【技术实现步骤摘要】
一种基于植物纤维毛刷的软接触低阻尼摩擦纳米发电机


[0001]本专利技术涉及了新能源
的一种摩擦纳米发电机，尤其涉及一种基于植物纤维毛刷的软接触低阻尼摩擦纳米发电机。

技术介绍

[0002]由于具有功率密度高、重量轻、成本低、材料和结构多样等优点，摩擦纳米发电机TENG已被逐步取代传统供能方式，为微纳器件供能。对于传统的 TENG，摩擦副之间的直接、充分摩擦是产生更多摩擦电荷和更高输出功率密度的必要条件，但长期运行后可能会导致严重磨损，降低设备寿命周期。到目前为止，已经做出了各种努力来提高设备的耐用性，例如滚动充电、摆锤运动、电刷和自动模式切换的结构设计。
[0003]软接触TENG可以避免摩擦副之间的直接接触，提高器件的耐用性。在之前的工作中，TENG的软接触操作模式通常采用的是动物毛发作为软接触材料和电荷传递介质。植物纤维具有柔软的特性，当与另一摩擦电层摩擦时，可以保持紧密接触，阻力较小。通过在TENG中引入柔性植物纤维作为摩擦电材料，不仅可以向电介质表面注入更多的正摩擦电荷，而且可以大大减少材料的磨损，提高TENG的输出密度的增加和设备的耐用性。目前还没有基于植物纤维软接触材料制备的TENG，因此本文设计并制造了一种基于植物纤维的软接触式 TENG。

技术实现思路

[0004]为了解决
技术介绍
中存在的问题和填补空白，本专利技术的目的在于将植物纤维作为一种新的摩擦电材料引入摩擦发电机中，并且创新地将基于植物纤维毛刷的软接触低阻尼摩擦纳米发电机用于水流能的收集。
[0005]本专利技术在靠近转子的定子表面上的电极之间设置软接触的纤维毛刷，用于实现铜电极和聚氯乙烯膜的软接触以传递电荷。
[0006]本专利技术的技术方案：
[0007]本专利技术包含转子、定子、铜电极、摩擦电负性材料和植物纤维毛刷；转子位于定子内，定子内周面覆盖设有铜电极，转子外周面至少一处设置有摩擦电负性材料，摩擦电负性材料和铜电极不接触、具有空气间隙；定子内周面还设有至少一处植物纤维毛刷。
[0008]所述的转子在旋转过程中摩擦电负性材料和植物纤维毛刷刮擦软接触以传递电荷。
[0009]所述的植物纤维毛刷用天然的植物纤维制备，包括棉花、芦苇、蒲苇和狗尾巴草等含有柔软纤维材料的植物。
[0010]所述的转子外周面沿周向设置有多处摩擦电负性材料。
[0011]所述的铜电极是由沿轴向方向穿叉间隔布置的叉指电极布置构成，叉指电极布置在基底上，基底固定覆盖在定子内周面。
[0012]所述的摩擦电负性材料固定贴附在基底上，且和铜电极不接触。
[0013]所述的摩擦电负性材料采用聚氯乙烯PVC、聚四氟乙烯Teflon、聚酰亚胺 Kapton、硅橡胶Ecoflex、聚乳酸PLA等材料中的一种。
[0014]本专利技术的软接触低阻尼摩擦纳米发电机用于灌溉能的收集。
[0015]本专利技术所述的低阻尼是指阻尼低于0.06N
·
m。实例中采用狗尾巴草毛刷、芦苇毛刷、蒲苇毛刷以及棉花毛刷作为补充电荷材料时，装置的工作阻尼均小于0.06N
·
m；其中棉花毛刷在不同转速下产生的阻尼最小，均小于0.05N
·
m，最小可以达到0.015N
·
m。
[0016]具体实施中还可以将水车部分与TENG中的转子固定在同一轴上，水车在外界灌溉水流能的作用下带动TENG中的转子转动，通过TENG实现灌溉能向电能的转化。
[0017]本专利技术的摩擦纳米发电机可以工作在独立层模式下，具体为：所述软接触低阻尼摩擦纳米发电机包含独立的摩擦电负性材料和一对固定的插指铜电极。摩擦电负性层在两电极间移动摩擦层在两电极间移动通过感应电荷周期性的变化使电势发生变化，然后电势的变化驱动电子在两电极两端流动完成发电过程。其中，定子内周面还设有至少一处植物纤维毛刷用于为摩擦电负性材料补充电荷。与单电极模式类似，这种工作模式不要求将电极镀在器件移动的部分，这种设计方便了器件的制作与工作；同时还可提供比单电极模式更高的能量转化效率，因其不会受单电极模式屏蔽效应的干扰，所以可以提供更高的输出性能。
[0018]本专利技术的有益效果是：
[0019]与之前报道的独立层式软接触低阻尼摩擦纳米发电机相比，本专利技术首次将柔软的天然植物纤维毛刷引入摩擦纳米发电机TENG的制备。
[0020]本专利技术以柔软的植物纤维毛刷作为电荷传递介质，避免摩擦副之间的直接接触，提高器件的耐用性。植物纤维具有柔软的特性，当与另一摩擦介电层摩擦时，可以保持紧密接触，阻力较小。
[0021]本专利技术通过在摩擦纳米发电机TENG中引入柔性植物纤维作为摩擦电材料，不仅可以向电介质表面注入更多的正摩擦电荷，而且可以大大减少材料的磨损，提高摩擦纳米发电机TENG的输出密度的增加和设备的耐用性。
[0022]本专利技术提出的植物纤维材料是一种柔软的良好的电荷补充材料，在器件运行的过程可以补充器件的电荷损耗，同时可以减少铜电极和聚氯乙烯膜直接接触的磨损，提高了TENG的耐久性和输出功率密度，降低TENG运行过程中的阻尼。
附图说明
[0023]图1为基于植物纤维毛刷的软接触低阻尼摩擦纳米发电机的结构示意图。
[0024]图2为四种植物纤维毛刷的光学显微图。
[0025]图3为利用基于四种植物纤维毛刷制备的PFB
‑
TENG的输出性能比较。图3a为用于测试PFB
‑
TENG输出性能的动态扭矩系统示意图；采用无毛刷、狗尾巴草、芦苇、蒲苇和棉花毛刷情况下PFB
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TENG的输出电压(图3b)、输出电流(图3c)和转移电荷量(图3d)。从图3b
‑
d可以看出采用棉花毛刷作为软接触材料时PFB
‑
TENG的输出电性能最大。
[0026]图4为四种植物纤维的SEM图。
[0027]图5为摩擦电负性材料PVC的SEM表征图。其中5a是原始的PVC膜的 SEM图；5b是PVC与铜电极循环摩擦3万次后的SEM图；5c是PVC膜与棉花纤维毛刷循环摩擦3万次后的SEM图。
从图种可以看出棉花毛刷与PVC摩擦和后产生的磨损很小，说明采用棉花毛刷作为补充电荷材料可以提高器件的运行稳定性。
[0028]图6为四种植物纤维的FT
‑
IR表征图。
[0029]图7为采用四种不同的植物纤维毛刷作为补充电荷材料时的工作阻尼，从图种可以看出四种植物毛刷产生的阻尼从大到小依次为：狗尾巴草毛刷、芦苇毛刷、蒲苇毛刷、棉花毛刷。四种植物毛刷的阻尼均小于0.06N
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m，其中棉花在不同转速下产生的阻尼最小，均小于0.05N
·
m。
[0030]图8为用多功能红外纳米光谱仪对四种纤维素毛刷在3412cm
‑1羟基含量的点数积分值柱状图。
[0031]图9为采用棉花纤维作为软接触材料的PFB
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于植物纤维毛刷的软接触低阻尼摩擦纳米发电机，其特征在于：包含转子(1)、定子(2)、铜电极(3)、摩擦电负性材料(4)和植物纤维毛刷(5)；转子(1)位于定子(2)内，定子(2)内周面覆盖设有铜电极(3)，转子(1)外周面至少一处设置有摩擦电负性材料(4)，摩擦电负性材料(4)和铜电极(3)不接触、具有空气间隙(6)；定子(2)内周面还设有至少一处植物纤维毛刷(5)。2.根据权利要求1所述的一种基于植物纤维毛刷的软接触低阻尼摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的转子(1)在旋转过程中摩擦电负性材料(4)和植物纤维毛刷(5)刮擦软接触以传递电荷。3.根据权利要求1所述的一种基于植物纤维毛刷的软接触低阻尼摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的植物纤维毛刷(5)用天然的植物纤维制备，包括棉花、芦苇、蒲苇和狗尾巴草等含有柔软纤维材料的植物。4.根据权利要求1所述的一种基于植物纤维毛刷的软接触低阻尼摩...

【专利技术属性】
技术研发人员：应义斌，代淑芬，李逊甲，平建峰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：