一种摩擦发电机以及摩擦发电机机组制造技术

本实用新型专利技术提供了一种摩擦发电机以及摩擦发电机机组，所述摩擦发电机包括两个电极，该电极包括高分子聚合物绝缘层，所述高分子聚合物绝缘层一侧表面为微纳凹凸结构，另一侧表面设置有金属薄膜，该绝缘层电极微纳凹凸结构的表面与另一个绝缘层电极微纳凹凸结构的表面正对贴合并通过外侧边缘固定连接；金属薄膜为摩擦发电机电压和电流输出电极。本实用新型专利技术的摩擦电发电机依靠内部摩擦起电电势的变化以及两侧金属极板的诱导效应产生电能，它是一种简单、高效和低成本的方法。（*该技术在2022年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

一种摩擦发电机以及摩擦发电机机组
[0001 ] 本专利技术涉及一种摩擦发电机以及摩擦发电机机组，尤其是涉及一种利用纳米压电 材料制成的摩擦发电机以及摩擦发电机机组。
技术介绍
采用纳米技术的能量收集和转换装置由于其独特的自发电和自驱动性质，很可能 在制造和驱动自供电纳米器件和纳米系统装置中起到关键性的作用，最近受到了各国研究 人员越来越多的关注。2006年，美国佐治亚理工学院王中林教授研究组首次成功实现了利 用氧化锌纳米线将机械能转化成电能的压电式纳米发电机。随后，以压电效应为基础，基于 不同材料和结构的各种纳米发电机被相继研制出来。目前，纳米发电机的输出功率足以驱 动商用发光二极管(LED)、小型液晶显示器、甚至自供电无线数据传送设备。功率密度也已 经达到了 1-lOmW/cm3。通常来讲，发电机是一种能够生成电荷，将正负电荷分开，并用电势产生的电荷驱 动自由电子流的方法，它能够以电磁、压电、热电、甚至静电效应为基础。纳米发电机依靠氧 化锌纳米线所生成的压电电势实现了发电。另一方面，摩擦电和静电现象是一种非常普遍 的现象，存在于我们日常生活中各个层面，从走路到开车等等。由于它很难被收集和利用， 往往是被人们所忽略的一种能源形式。如果我们能够通过一种新的方法收集摩擦产生的电 能或者利用该方法将日常生活中不规则的动能转成能够利用的电能，将对我们的日常生活 产生重要影响。截止到目前为止，静电微型发电机已被研制成功，并且在微机电(MEMS)领 域得到广泛应用。但是微型静电发电机的设计主要以无机硅材料为基础，并且器件的制造 需要复杂的工艺和精密的操作。整个装置的制备需要大型的仪器设备和特殊的生产条件， 造价成本过高，不利于发电机的商业化和日常应用。中国专利申请号为200910080638. X，公 开了一种旋转摩擦发电机，该发电机利用摩擦生电现象来发电，外壳内壁的定子摩擦材料 与转子轴筒外壁的转子摩擦材料紧密接触，通过旋转转子轴筒，使定子摩擦材料和转子摩 擦材料间旋转摩擦，产生电流，并由转子输出端引出。但是该旋转摩擦发电机需要特定的机 械能带动，不能用于收集和转换不规则的动能，如人体肌肉部分的运动及无序的风能等，并 且该装置发电效率不高。
技术实现思路
本技术为解决现有技术中的问题而提供了一种应用环境更广、发电效率更高 的摩擦发电机。本技术提供了一种摩擦发电机，包括第一电极和第二电极，所述第一电极包 括第一高分子聚合物绝缘层，所述第一高分子聚合物绝缘层一侧表面为微纳凹凸结构，另 一侧表面设置有金属薄膜；所述第二电极包括第二高分子聚合物绝缘层，所述第二高分子 聚合物绝缘层一侧表面为微纳凹凸结构，另一侧表面设置有金属薄膜；所述第一电极微纳 凹凸结构的表面与第二电极微纳凹凸结构的表面正对贴合并通过外侧边缘固定连接；所述第一高分子聚合物绝缘层上的金属薄膜与第二高分子聚合物绝缘层上的金属薄膜为摩擦发电机电压和电流输出电极。本技术还提供一种摩擦发电机组，由本技术的单体摩擦发电机进行串联或者并联组成，以提高输出电流或单位面积的输出功率。所述高分子聚合物绝缘层选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、 聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、 聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、 氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的一种，但所述第一高分子聚合物绝缘层与所述第二高分子聚合物绝缘层材质不同。这是由于第一电极的第一高分子聚合物绝缘层与第二电极的第二高分子聚合物绝缘层材质如果相同，会导致摩擦起电的电荷量很小。上述薄膜用于本技术以实现摩擦起电。所述第一电极和第二电极分别构成为通过使其任意弯曲、变形而产生所述电极摩擦起电的柔性平板结构。柔性平板结构能够扩大摩擦发电机的应用环境，收集和转换不规则的动能，如人体肌肉部分的运动及无序的风能等。所述第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层表面的微纳凹凸结构为微小的凹凸结构。更优选是纳米级至微米机的凹凸结构；微纳特别优选为纳米级的凹凸， 大小为50nm-300nm，纳米凹凸摩擦接触面积大，能够提高摩擦起电效率。所述第一电极与第二电极的外侧边缘能够通过胶带等方式连接。所述第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层上的金属薄膜通过真空溅射法或蒸镀法镀于绝缘 层表面。所述金属薄膜能够是任何一种导电的材料，如透明导电薄膜、导电高分子、不锈刚等；优选为金、银、钼、铝、镍、铜、钛、烙、硒中的一种，厚度优选为50nm-200nm。上述导电的材料均是本领域所熟知的材料。本技术提供的摩擦电发电机依靠摩擦电电势的充电泵效应，这是一种简单、低成本和可大规模生产的方法。以双层结构为基础，电输出达到峰值电压3. 3V，电流 O. 6 μ A，峰值功率密度10. 4mW/cm3。与已有的其它微型能量收集方法相比，本技术的摩擦电发电机有以下几个独特的优势。首先，这是一种以新颖的原理和方法为基础的新型发电机，它很可能会为有机电子器件和柔性电子学的研究和应用开辟新的研究领域；其次，整个器件的制造工艺不需要昂贵的原材料和先进的制造设备，这将有利于它大规模工业生产和实际应用。最后，该装置以柔性聚合物片为基础，易加工，器件的使用寿命长，并且容易和其它加工工艺集成。摩擦电发电机展示出它良好的应用前景，能够从人类活动、轮胎转动、 海浪、机械振动等众多不规则活动中获得能量，能为个人电子产品、环境监控、医学科学等提供自供电和自驱动设备，有着巨大的商用和实用潜力。附图说明图1为本技术摩擦发电机的结构示意图。图2为本技术摩擦发电机的绝缘层表面的微纳凹凸结构示意图。图3为本技术摩擦发电机的发电过程电荷变化示意图。图中1_金属薄膜，2-第一高分子聚合物绝缘层，3-第二高分子聚合物绝缘层， 4-绝缘层表面的微纳凹凸结构。具体实施方式下面，结合附图对本技术的具体实施方式做进一步说明。附图表示一个以高分子聚合物为基础的摩擦发电机的典型结构。摩擦发电机就像一个由两种不同聚合物片组成的三明治结构，两个聚合物片相互堆叠在一起，层间没有任何粘合物。如图1所示，一个矩形的(4. 5cmX1. 2cm)聚酰亚胺薄膜(厚度125 μ m,杜邦 500HN,附图3中的Kapton)作为第一电极的高分子聚合物绝缘层3，放置在第二高分子聚合物绝缘层2柔性聚酯薄膜基底(厚度220 μ m，附图3中PET)上。该器件的两个短的边缘用普通胶布密封，来保证两个聚合物绝缘层的适度接触。该结构顶部和底部的两个表面通过溅射涂膜的方法镀有合金金属薄膜I (厚度lOOnm，附图3中Au)作电极。金属薄膜在这里起两个重要作用(I)能够感应两高聚物片界面区由于摩擦产生的电势变化，生成等量但电性相反的移动电荷；(2)作为发电机的正本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种摩擦发电机，其特征在于，包括第一电极和第二电极，?所述第一电极包括第一高分子聚合物绝缘层，所述第一高分子聚合物绝缘层一侧表面为微纳凹凸结构，另一侧表面设置有金属薄膜；?所述第二电极包括第二高分子聚合物绝缘层，所述第二高分子聚合物绝缘层一侧表面为微纳凹凸结构，另一侧表面设置有金属薄膜；?所述第一电极微纳凹凸结构上的表面与所述第二电极微纳凹凸结构的表面正对贴合并通过外侧边缘固定连接；?所述第一高分子聚合物绝缘层的金属薄膜与所述第二高分子聚合物绝缘层上的金属薄膜均为摩擦发电机的电压和电流输出电极。

【技术特征摘要】
1.一种摩擦发电机，其特征在于，包括第一电极和第二电极，所述第一电极包括第一高分子聚合物绝缘层，所述第一高分子聚合物绝缘层一侧表面为微纳凹凸结构，另一侧表面设置有金属薄膜；所述第二电极包括第二高分子聚合物绝缘层，所述第二高分子聚合物绝缘层一侧表面为微纳凹凸结构，另一侧表面设置有金属薄膜；所述第一电极微纳凹凸结构上的表面与所述第二电极微纳凹凸结构的表面正对贴合并通过外侧边缘固定连接；所述第一高分子聚合物绝缘层的金属薄膜与所述第二高分子聚合物绝缘层上的金属薄膜均为摩擦发电机的电压和电流输出电极。2.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层和所述第二高分子聚合物绝缘层分别选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵...

【专利技术属性】
技术研发人员：范凤茹，王中林，
申请(专利权)人：纳米新能源唐山有限责任公司，
类型：实用新型
国别省市：