实现低频振动抑制与摩擦电能量采集功能复用的超构器件制造技术

本发明专利技术是一种实现低频振动抑制与摩擦电能量采集功能复用的超构器件，包括底座，平面位移装置、环状隔层、支撑圆柱、保护罩和质量块，保护罩内侧通过支撑圆柱与平面位移装置的中心圆台部分相连，支撑圆柱连接平面位移装置和保护罩，平面位移装置的下方是一个外径与平面位移装置直径相同的环状隔层，环状隔层的下方是直径与环状隔层外径相同的底座，在底座和平面位移装置之间设置摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机包括电负性薄膜和柔性垫。本发明专利技术的器件既能实现低频振动抑制又能实现低频振动的环境能转换为电能，为低功耗电子器件供电、且紧凑、尺度小，尺度小，也考虑到对器件的保护，提高了器件的可靠性。提高了器件的可靠性。

【技术实现步骤摘要】
实现低频振动抑制与摩擦电能量采集功能复用的超构器件


[0001]本专利技术属于智能器件智能设备
，具体的说是涉及一种实现低频振动抑制与摩擦电能量采集功能复用的超构器件。

技术介绍

[0002]环境中振动无处不在，特别是在交通运输和工业生产中，振动严重影响着工业生产和人们的日常生活。尤其是低频振动，由于其较长的波长这一物理属性，导致低频振动具有穿透力强、传播远、不易衰减等特点，一直以来都是振动控制工程中的重点和难点。长时间的机械振动，会加速设备结构件的疲劳，缩短服役寿命，降低可靠性，需要发展有效的振动抑制手段，实现振动的有效抑制。
[0003]为了实现设备低频振动的有效抑制，需要设计合理的结构。局域共振型超材料就是应用特殊结构设计出具有带隙特性的振动抑制装置，在装置的带隙频率范围内能够有效实现设备低频振动抑制。ZL202011200568.X提供了一种双层金字塔型轻质减振超材料点阵结构，通过在结构内部添加使用同种材料的共振单元，使该超材料轻质点阵结构在低频范围内具有良好的宽带减振特性。但是该专利中提出的结构带隙频率还是太高，未能实现100Hz以下的带隙。ZL201922394944.2提供一种具有超低频减振特性的局域共振弹性超材料板类结构，该结构能够产生35Hz
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45Hz的结构带隙。但上述装置不易与常见的工程部件，例如壁板结构集成。此外，以上装置仅考虑了振动抑制的功能，未能实现对机械能量的回收利用和对装置的保护。
[0004]为了实现装备的智能化和泛在监测，需要在结构上部署传感器。为了避免大规模部署造成的传感器频繁更换电池，降低运维成本，一个可行的思路是通过环境能量收集技术，将环境能量转换为电能，实现对传感器的供电。
[0005]环境能量收集中，振动能量是一种常见的能量来源，通过收集这些低频振动能量将其转化成为电能，并为一些低功耗的装置供电，例如无线传感网络节点，可以免去大规模无线网络需要频繁更换电池而产生的大量维护费用。到目前为止，振动能收集的机理主要基于电磁感应、摩擦电效应和压电效应。
[0006]电磁式振动能量收集装置主要适用于高频、大振幅的振动，且由于磁铁和线圈的存在，难以实现器件的小型化和轻量化。
[0007]压电式装置利用压电效应实现机电能量转换，压电材料通常为PZT陶瓷片，材质硬，含有铅等对环境有污染。
[0008]2012年，美国佐治亚理工学院的王中林教授团队首次基于摩擦起电与静电感应原理制作了一种新型的机械能到电能的能量转换装置，摩擦纳米发电机。与传统的换能器相比，摩擦纳米发电机具有制作成本低和低频性能好等优点，例如ZL201710010956.3提供了一种包括弹性结构的摩擦纳米发电机用于收集环境振动能量，但是该摩擦纳米发电机为多层折叠结构，具有多个摩擦层，结构臃肿，且在共振频率振动条件下U型凹陷结构拐角处易发生疲劳损伤。朱光等也提出了一种新型的弹簧支撑的分离结构的摩擦纳米发电机，使用
文中的机械振动源对器件施加外加载荷，驱动所提出的摩擦纳米发电机的两个摩擦层接触分离，实现了振动能量到电能的转换。但是此方案中整个器件暴露在外界，大大降低了装置的可靠性，且弹簧并联，造成了劲度系数的增大(Zhu G,Lin ZH,Jing Q,Bai P,Pan C,Yang Y,Zhou Y,Wang ZL.Toward large
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scale energy harvesting by a nanoparticle
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enhanced triboelectric nanogenerator.Nano Lett.2013 Feb 13；13(2):847
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53.doi:10.1021/nl4001053.Epub 2013 Jan 31.PMID:23360548)。

技术实现思路

[0009]基于上述技术缺陷，本专利技术提供了一种实现低频振动抑制与摩擦电能量采集功能复用超构器件，该器件既能实现低频振动抑制又能实现低频振动的环境能转换为电能、且紧凑、尺度小，所转换的电能可以用于对传感器和低功耗无线通信器件提供电能，实现对环境振动进行监测，同时也考虑到对器件的保护，提高器件的可靠性。
[0010]为了达到上述目的，本专利技术是通过以下技术方案实现的：
[0011]本专利技术是一种实现低频振动抑制与摩擦电能量采集功能复用的超构器件，包括底座，超构器件包括平面位移装置、环状隔层、支撑圆柱、保护罩和质量块，平面位移装置、支撑圆柱、保护罩和质量块共同组成具备局域共振机理的结构，保护罩内侧通过支撑圆柱与平面位移装置的中心圆台部分相连，支撑圆柱连接平面位移装置和保护罩，保护罩用于保护内部结构提高装置的可靠性，平面位移装置的下方是一个外径与平面位移装置直径相同的环状隔层，环状隔层为直径为20mm、内径为17mm、高度为3mm的柱体结构，柱体结构在平面位移装置和底座之间形成一个柱形空腔，在柱形空腔内放置柔性垫，柔性垫为圆柱形，柔性垫的直径和环状隔层的内径一致，柔性垫的高度略低于环状隔层的高度，环状隔层的下方是直径与环状隔层外径相同的底座，在底座和平面位移装置之间设置摩擦纳米发电机，摩擦纳米发电机包括电负性薄膜和柔性垫。
[0012]本专利技术的进一步改进在于：平面位移装置的中间为圆台，平面位移装置外周是圆环，在圆台和圆环之间通过弯曲梁连接，弯曲梁的数量为三个且三个弯曲梁的厚度相同且处于同一平面，在圆台靠近保护罩的一侧粘接支撑圆柱，在圆台的另一侧设置粘接电负性薄膜，结构振动时，弯曲梁发生形变，中心圆台就会产生往复位移。这样粘接在圆台一侧的电负性薄膜就能与柔性垫接触分离。
[0013]本专利技术的进一步改进在于：支撑圆柱用于连接平面位移装置和保护罩，支撑圆柱直径略小于平面位移装置中心圆台直径，高度远小于自身直径，呈扁平状，可使平面位移装置中心圆台振动更平稳，从而使摩擦纳米发电机接触分离更加充分，提高结构输出性能。
[0014]本专利技术的进一步改进在于：电负性薄膜为驻极体材料，驻极体材料的一侧通过粘接双面导电胶带的方式实现电负性薄膜的电极功能并对电负性薄膜的另一侧进行表面处理，通过高压电场极化的处理方式增大电负性薄膜的表面电荷密度，提高结构输出性能，且生产成本低，易于实现。
[0015]本专利技术的进一步改进在于：柔性垫由Ecoflex
TM
系列硅胶掺杂多壁碳纳米管制成，掺杂多壁碳纳米管有利于提高柔性垫的介电常数和电容，并且通过实验分析了不同掺杂多壁碳纳米管对摩擦纳米发电机电性输出的影响，确定多壁碳纳米管的最佳掺杂浓度。
[0016]本专利技术的进一步改进在于：质量块为圆柱形，圆柱形的质量块粘接在保护罩的外
侧中间部位。
[0017]本专利技术的有益效果是：
[0018]1、本专利技术利用局域共振型超材料结构实现低频振动抑制，且本专利技术的谐振频率可通过改变附加质量和调整平面位移装置结构参数来调整，实现对不同频率振动的抑制。
[0019]2、本专利技术将超构器件周期性本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种实现低频振动抑制与摩擦电能量采集功能复用的超构器件，包括底座(3)，其特征在于：所述超构器件还包括平面位移装置(4)、支撑圆柱(5)、保护罩(2)和质量块(1)，所述平面位移装置(4)、支撑圆柱(5)、保护罩(2)和质量块(1)共同组成具备局域共振机理的结构，所述保护罩(2)内侧通过所述支撑圆柱(5)与所述平面位移装置(4)的中心圆台部分相连，所述支撑圆柱(5)连接平面位移装置(4)和保护罩(2)，所述平面位移装置(4)的下方是一个外径与平面位移装置(4)直径相同的环状隔层(7)，所述环状隔层(7)的下方是直径与所述环状隔层(7)外径相同的所述底座(3)。2.根据权利要求1所述的实现低频振动抑制与摩擦电能量采集功能复用的超构器件，其特征在于：在所述底座(3)和所述平面位移装置(4)之间设置摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机包括电负性薄膜(8)和柔性垫(6)。3.根据权利要求2所述的实现低频振动抑制与摩擦电能量采集功能复用的超构器件，其特征在于：所述平面位移装置(4)的中间为圆台，所述平面位移装置(4)外周是圆环，在所述圆台和所述圆环之间通过弯曲梁(11)连接，在所述圆台靠近所述保护罩的一侧粘接所述支撑圆柱(5)，在所述圆台的另一侧设置粘接所述电负性薄膜(8)。4.根据权利要求3所述的实现低频振动抑制与摩擦电能量采集功能复用的超构器件，其特征在于：所述电负性薄膜(8)为驻极体材料，所述驻极体材料的一侧通过粘接双面导电胶带的方式实现电负性薄膜的电极功能并对电负性薄膜的另...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁明，余文平，闫王震，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：