3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机及其制造方法技术

本发明专利技术公开了3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机，包括第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元和第二摩擦单元相对放置；第一摩擦单元包括第一电极层、正摩擦层，第一电极层紧贴在正摩擦层上端面；第二摩擦层包括负摩擦层、第二电极层，第二电极层紧贴在负摩擦层下端面，第一电极层和第二电极层分别接导线并连接负载。本发明专利技术解决了现有技术中存在的摩擦层材料选择单一，摩擦层结构有限问题。摩擦层结构有限问题。摩擦层结构有限问题。

【技术实现步骤摘要】
3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机及其制造方法


[0001]本专利技术属于摩擦纳米发电机
，具体涉及3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机，还涉及上述摩擦发电机的制造方法。

技术介绍

[0002]随着全球变暖和能源危机的不断加剧，寻找绿色新能源减少碳排放以缓解当前能源压力是人类发展的重要挑战之一。以摩擦纳米发电机为代表的纳米能源可以高效收集和存储环境中的能量，是为各类小型电子器件持续供电的理想新型分布式能源。增材制造(3D打印)能够按照人们的需求个性化设计制造成型各类复杂结构。同时，各类新型材料也被广泛地用于增材制造技术中，这无疑有利于探索摩擦纳米发电机新的高效结构和更高性能的摩擦材料。但现有摩擦纳米发电机仍存在一些技术不足之处，其作为自驱动能量源，实用化推广在很大程度上依赖于其个性化结构的设计及加工，而高成本、低效率、低精度、制备材料单一的传统减材加工方法束缚了它的发展应用。
[0003]现有技术制造的3D打印技术的摩擦纳米发电机，制备方法摩擦层材料选择单一，摩擦层采用介电常数相差较大的薄膜，所能制备的摩擦层结构有限，在制备打印墨水时工艺繁多且需进行打印后处理，制备装配工艺复杂。

技术实现思路

[0004]本专利技术的一个目的是提供3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机，解决了现有技术中存在的摩擦层材料选择单一，摩擦层结构有限问题。
[0005]本专利技术的另一个目的是提供3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机的制造方法。
[0006]本专利技术所采用的一种技术方案是，3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机，包括第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元和第二摩擦单元相对放置；第一摩擦单元包括第一电极层、正摩擦层，第一电极层紧贴在正摩擦层上端面；第二摩擦层包括负摩擦层、第二电极层，第二电极层紧贴在负摩擦层下端面，第一电极层和第二电极层分别接导线并连接负载。
[0007]本专利技术的特点还在于，
[0008]正摩擦层材料采用尼龙、尼龙/纳米颗粒中的任意一种。
[0009]负摩擦层材料采用纳米颗粒/聚氨酯、纳米颗粒/聚乙烯、纳米颗粒/PETG中的任意一种。
[0010]纳米颗粒采用碳纳米管、石墨烯等碳纳米颗粒或纳米银、纳米铜等金属纳米颗粒中的任意一种。
[0011]第一电极层和第二电极层均为金属、合金中的任意一种。
[0012]金属为银、铝、铜、锡或铁箔，合金为铝合金、镁合金或锡合金胶带。
[0013]本专利技术所采用的另一种技术方案是，3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机的制造方法，具体按照以下步骤进行实施：
[0014]步骤1，对摩擦纳米发电机正摩擦层、负摩擦层进行设计建模；
[0015]步骤2，将模型导入切片软件，进行切片处理并生成G代码；
[0016]步骤3，将生成的G代码导入3D打印机中，启动3D打印机。
[0017]步骤4，根据第一摩擦单元和第二摩擦单元之间的相对位置关系，将第二电极层平铺在3D打印系统基板上并固定，依次将负摩擦层材料、正摩擦层材料装入挤出仓进行间歇式打印；
[0018]步骤5，打印完成后将第一电极层紧贴在正摩擦层一侧，完成装配。
[0019]本专利技术的特点还在于，
[0020]步骤4中通过复合高分子材料熔融沉积成型方法将丝材挤出并作为负摩擦层材料、正摩擦层材料，将负摩擦层材料、正摩擦层材料打印一体化成型并进行表面微观结构设计。
[0021]步骤4中第一摩擦单元和第二摩擦单元之间的相对位置关系包括实现接触
‑
垂直分离式、水平式、单电极式、独立层四种基本结构。
[0022]步骤4中正摩擦层材料采用尼龙、尼龙/纳米颗粒中的任意一种；负摩擦层材料采用纳米颗粒/聚氨酯、纳米颗粒/聚乙烯、纳米颗粒/PETG中的任意一种。
[0023]本专利技术的有益效果是：本专利技术制备的3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机，通过3D打印实现各类复杂的表面微观和宏观的摩擦纳米发电机结构；本专利技术3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机制造方法，利用高分子聚合物熔融沉积成型技术的快速一体化成型，实现功能复合材料熔融沉积成型技术与摩擦纳米发电机相结合，将摩擦纳米发电机在微结构设计和纳米材料加入层面设计，制得具有多层微孔结构的摩擦纳米发电机，多尺度提升摩擦纳米发电机输出性能，具有重要的科学意义和工程应用价值。
附图说明
[0024]图1是本专利技术实施例1制造的3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机的结构示意图；
[0025]图2是本专利技术实施例2制造的3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机的结构示意图；
[0026]图3是本专利技术实施例3制造的3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机的结构示意图；
[0027]图4为本专利技术所述摩擦纳米发电机，CNTs含量0wt.％和4wt.％的开路电压输出图；
[0028]图5为本专利技术所述摩擦纳米发电机，CNTs含量0wt.％和4wt.％的短路电流输出图。
[0029]图中，1.第一电极层，2.正摩擦层，3.负摩擦层，4.第二电极层。
具体实施方式
[0030]下面结合附图和具体实施方式对本专利技术进行详细说明。
[0031]本专利技术3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机，如图1所示，包括第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元和第二摩擦单元相对放置；第一摩擦单元包括第一电极层1、正摩擦层2，第一电极层1紧贴在正摩擦层1上端面；第二摩擦层包括负摩擦层3、第二电极层4，第二电极层4紧贴在负摩擦层3下端面，第一电极层1和第二电极层4分别接导线并连接负
载。
[0032]正摩擦层2材料采用尼龙、尼龙/纳米颗粒中的任意一种。
[0033]负摩擦层3材料采用纳米颗粒/聚氨酯、纳米颗粒/聚乙烯、纳米颗粒/PETG中的任意一种。
[0034]纳米颗粒采用碳纳米管、石墨烯等碳纳米颗粒或纳米银、纳米铜等金属纳米颗粒中的任意一种。
[0035]第一电极层1和第二电极层4均为金属、合金中的任意一种。金属为银、铝、铜、锡或铁箔，合金为铝合金、镁合金或锡合金胶带。
[0036]本专利技术3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机的工作原理为，采用平行板电容器原理，第一电极层1、第二电极层4分别为平行板电容器的上、下极板电极，通过3D打印制造高分子聚合物为正摩擦层2和负摩擦层3；当第一摩擦单元的正摩擦层2和第二摩擦单元的负摩擦层3接触时，由于摩擦起电效应，正负摩擦面会带上等量异种电荷。当两摩擦单元分离时，两电极之间产生电势差，电势差驱动电子从电极层1流向电极层4，形成电流。当两摩擦层分离至足够远时，两电极之间不再产生电势差。当摩擦层重新靠近直至接触时，两电极层之间又会产生电势差，形成一个反向等量电流。重复进行分离
‑
接触操作，电势差驱动电子在两电极层和负载之间流动，形成交流信号。本专利技术结构简单、在纳米材料复合，微观结构设计等尺度提升输出性能。
[0037]本专利技术3D打印的复合高分本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机，其特征在于，包括第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元和第二摩擦单元相对放置；第一摩擦单元包括第一电极层(1)、正摩擦层(2)，第一电极层(1)紧贴在正摩擦层(2)上端面；第二摩擦层包括负摩擦层(3)、第二电极层(4)，第二电极层(4)紧贴在负摩擦层(3)下端面，第一电极层(2)和第二电极层(4)分别接导线并连接负载。2.根据权利要求1所述的3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机，其特征在于，所述正摩擦层(2)材料采用尼龙、尼龙/纳米颗粒中的任意一种。3.根据权利要求2所述的3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机，其特征在于，所述负摩擦层(3)材料采用纳米颗粒/聚氨酯、纳米颗粒/聚乙烯、纳米颗粒/PETG中的任意一种。4.根据权利要求3所述的3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机，其特征在于，所述纳米颗粒采用碳纳米管、石墨烯等碳纳米颗粒或纳米银、纳米铜等金属纳米颗粒中的任意一种。5.根据权利要求1所述的3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一电极层(1)和第二电极层(4)均为金属、合金中的任意一种。6.根据权利要求5所述的3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机，其特征在于，所述金属为银、铝、铜、锡或铁箔，合金为铝合金、镁合金或锡合金胶带。7.3D打印的复合高分子基摩擦纳米发电机的制造方法，制备上述权利要求1中...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨磊鹏，刘鑫，肖渊，胥光申，张改萍，王玉平，
申请(专利权)人：西安工程大学，
类型：发明
国别省市：