專利名稱：一種摩擦發(fā)電機(jī)的制作方法
一種摩擦發(fā)電機(jī)
背景技術(shù)：
采用納米技術(shù)的能量收集和轉(zhuǎn)換裝置由于其獨(dú)特的自發(fā)電和自驅(qū)動性質(zhì)，很可能在制造和驅(qū)動自供電納米器件和納米系統(tǒng)裝置中起到關(guān)鍵性的作用，最近受到了各國研究人員越來越多的關(guān)注。2006年，美國佐治亞理工學(xué)院王中林教授研究組首次成功實(shí)現(xiàn)了利用氧化鋅納米線將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電能的壓電式納米發(fā)電機(jī)。隨后，以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，基于不同材料和結(jié)構(gòu)的各種納米發(fā)電機(jī)被相繼研制出來。目前，納米發(fā)電機(jī)的輸出功率足以驅(qū)動商用發(fā)光二極管(LED)、小型液晶顯示器、甚至自供電無線數(shù)據(jù)傳送設(shè)備。功率密度也已經(jīng)達(dá)到了 1-lOmW/cm3。通常來講，發(fā)電機(jī)是一種能夠生成電荷，將正負(fù)電荷分開，并用電勢產(chǎn)生的電荷驅(qū)動自由電子流的方法，它能夠以電磁、壓電、熱電、甚至靜電效應(yīng)為基礎(chǔ)。納米發(fā)電機(jī)依靠氧化鋅納米線所生成的壓電電勢實(shí)現(xiàn)了發(fā)電。另一方面，摩擦電和靜電現(xiàn)象是一種非常普遍的現(xiàn)象，存在于我們?nèi)粘Ｉ钪懈鱾€層面，從走路到開車等等。由于它很難被收集和利用， 往往是被人們所忽略的一種能源形式。如果我們能夠通過一種新的方法收集摩擦產(chǎn)生的電能或者利用該方法將日常生活中不規(guī)則的動能轉(zhuǎn)成能夠利用的電能，將對我們的日常生活產(chǎn)生重要影響。截止到目前為止，靜電微型發(fā)電機(jī)已被研制成功，并且在微機(jī)電(MEMS)領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。但是微型靜電發(fā)電機(jī)的設(shè)計主要以無機(jī)硅材料為基礎(chǔ)，并且器件的制造需要復(fù)雜的工藝和精密的操作。整個裝置的制備需要大型的儀器設(shè)備和特殊的生產(chǎn)條件，造價成本過高，不利于發(fā)電機(jī)的商業(yè)化和日常應(yīng)用。中國專利申請?zhí)枮?00910080638. X，公開了一種旋轉(zhuǎn)摩擦發(fā)電機(jī)，該發(fā)電機(jī)利用摩擦生電現(xiàn)象來發(fā)電，外殼內(nèi)壁的定子摩擦材料與轉(zhuǎn)子軸筒外壁的轉(zhuǎn)子摩擦材料緊密接觸，通過旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)子軸筒，使定子摩擦材料和轉(zhuǎn)子摩擦材料間旋轉(zhuǎn)摩擦，產(chǎn)生電流，并由轉(zhuǎn)子輸出端引出。但是該旋轉(zhuǎn)摩擦發(fā)電機(jī)需要特定的機(jī)械能帶動，不能用于收集和轉(zhuǎn)換不規(guī)則的動能，如人體肌肉部分的運(yùn)動及無序的風(fēng)能等，并且該裝置發(fā)電效率不高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明為解決現(xiàn)有技術(shù)中的問題而提供了一種應(yīng)用環(huán)境更廣、發(fā)電效率更高的摩擦發(fā)電機(jī)。本發(fā)明提供了一種摩擦發(fā)電機(jī)，包括第一電極和第二電極，所述第一電極包括第一高分子聚合物絕緣層，所述第一高分子聚合物絕緣層一側(cè)表面為微納凹凸結(jié)構(gòu)，另一側(cè)表面設(shè)置有金屬薄膜；所述第二電極包括第二高分子聚合物絕緣層，所述第二高分子聚合物絕緣層一側(cè)表面為微納凹凸結(jié)構(gòu)，另一側(cè)表面設(shè)置有金屬薄膜；所述第一電極微納凹凸結(jié)構(gòu)的表面與第二電極微納凹凸結(jié)構(gòu)的表面正對貼合并通過外側(cè)邊緣固定連接；所述第一高分子聚合物絕緣層上的金屬薄膜與第二高分子聚合物絕緣層上的金屬薄膜均為摩擦發(fā)電機(jī)的電壓和電流輸出電極。本發(fā)明還提供一種摩擦發(fā)電機(jī)組，由本發(fā)明的單體摩擦發(fā)電機(jī)進(jìn)行串聯(lián)或者并聯(lián)組成，以提高輸出電流或單位面積的輸出功率。
本發(fā)明的所述高分子聚合物絕緣層選自聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纖維(再生)海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、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、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜以及聚乙烯丙二酚碳酸鹽薄膜中的一種，但所述第一高分子聚合物絕緣層與所述第二高分子聚合物絕緣層材質(zhì)不同。如果第一電極的第一高分子聚合物絕緣層與第二電極的第二高分子聚合物絕緣層材質(zhì)相同，會導(dǎo)致摩擦起電的電荷量很小。所述第一電極和第二電極分別構(gòu)成為通過使其任意彎曲、變形而產(chǎn)生所述電極摩擦起電的柔性平板結(jié)構(gòu)。柔性平板結(jié)構(gòu)能夠擴(kuò)大摩擦發(fā)電機(jī)的應(yīng)用環(huán)境，收集和轉(zhuǎn)換不規(guī)則的動能，如人體肌肉部分的運(yùn)動及無序的風(fēng)能等。
所述第一高分子聚合物絕緣層和第二高分子聚合物絕緣層表面的微納凹凸結(jié)構(gòu)為微小凹凸結(jié)構(gòu)。更優(yōu)選微納凹凸優(yōu)選為納米級至微米級的凹凸，大小為50nm-300nm，納米凹凸摩擦接觸面積大，能夠能夠提高摩擦起電效率。所述第一電極與第二電極的外側(cè)邊緣能夠通過膠帶等方式連接。所述第一高分子聚合物絕緣層和第二高分子聚合物絕緣層上的金屬薄膜均通過真空濺射法或蒸鍍法鍍于絕緣層表面。所述金屬薄膜能夠是任何一種導(dǎo)電的材料，如透明導(dǎo)電薄膜、導(dǎo)電高分子、不銹剛等；優(yōu)選為金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、烙、硒及其合金中的一種，厚度優(yōu)選為50nm-200nm。 本發(fā)明提供的摩擦電發(fā)電機(jī)依靠摩擦電電勢的充電泵效應(yīng)，這是一種簡單、低成本和可大規(guī)模生產(chǎn)的方法。以雙層結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，電輸出達(dá)到峰值電壓3. 3V,電流0. 6 i! A，峰值功率密度10.4mW/cm3。與已有的其它微型能量收集方法相比，本發(fā)明的摩擦電發(fā)電機(jī)有以下幾個獨(dú)特的優(yōu)勢。首先，這是一種以新穎的原理和方法為基礎(chǔ)的新型發(fā)電機(jī)，它很可能會為有機(jī)電子器件和柔性電子學(xué)的研究和應(yīng)用開辟新的研究領(lǐng)域；其次，整個器件的制造工藝不需要昂貴的原材料和先進(jìn)的制造設(shè)備，這將有利于它大規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)和實(shí)際應(yīng)用。最后，該裝置以柔性聚合物片為基礎(chǔ)，易加工，器件的使用壽命長，并且容易和其它加工工藝集成。摩擦電發(fā)電機(jī)展示出它良好的應(yīng)用前景，能夠從人類活動、輪胎轉(zhuǎn)動、海浪、機(jī)械振動等眾多不規(guī)則活動中獲得能量，可為個人電子產(chǎn)品、環(huán)境監(jiān)控、醫(yī)學(xué)科學(xué)等提供自供電和自驅(qū)動設(shè)備，有著巨大的商用和實(shí)用潛力。


圖I為本發(fā)明摩擦發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明摩擦發(fā)電機(jī)的絕緣層表面的微納凹凸結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為本發(fā)明摩擦發(fā)電機(jī)的發(fā)電過程電荷變化示意圖。圖中1_金屬薄膜，2-第一高分子聚合物絕緣層，3-第二高分子聚合物絕緣層，4-絕緣層表面的微納凹凸結(jié)構(gòu)。
具體實(shí)施例方式下面，結(jié)合附圖對本發(fā)明的具體實(shí)施方式

做進(jìn)一步說明。附圖I表示一個以高分子聚合物為基礎(chǔ)的摩擦發(fā)電機(jī)的典型結(jié)構(gòu)。摩擦發(fā)電機(jī)就像一個由兩種不同聚合物片組成的三明治結(jié)構(gòu)，兩個聚合物片相互堆疊在一起，層間沒有任何粘合物。如圖I所示，一個矩形的(4. 5cmX I. 2cm)聚酰亞胺薄膜(厚度125 ii m,杜邦500HN,附圖3中的Kapton)作為第一電極的高分子聚合物絕緣層4，放置在第二高分子聚合物絕緣層2柔性聚酯薄膜基底(厚度220 y m，附圖3中PET)上。該器件的兩個短的邊緣用普通膠布密封，來保證兩個聚合物絕緣層的適度接觸。該結(jié)構(gòu)頂部和底部的兩個表面通過濺射涂膜的方法鍍有合金金屬薄膜I (厚度lOOnm，附圖3中Au)作電極。金屬薄膜在這里起兩個重要作用(1)能夠感應(yīng)兩高聚物片界面區(qū)由于摩擦產(chǎn)生的電勢變化，生成等量但電性相反的移動電荷；(2)作為發(fā)電機(jī)的正負(fù)電極直接與外電路連接，是摩擦發(fā)電機(jī)的電壓和電流的輸出電極。該器件的整個制備工藝簡單，能夠能夠大規(guī)模生產(chǎn)。因此，本發(fā)明是能夠在較低成本、較少原材料和加工工序的條件下實(shí)現(xiàn)。如圖2所示，柔性的聚酰亞胺薄膜和聚酯薄膜基底的表面上具有微納凹凸結(jié)構(gòu)4，該微納凹凸結(jié)構(gòu)4能夠增加摩擦阻力，提高發(fā)電效率。所述微納凹凸結(jié)構(gòu)4能夠在薄膜制備時直接形成，也能夠用打磨的方法使將高分子聚合物薄膜的表面形成不規(guī)則的微納凹凸結(jié)構(gòu)。圖3是摩擦發(fā)電機(jī)發(fā)電原理的圖解。當(dāng)外力作用于器件上時，兩高聚物層產(chǎn)生形變，并且在界面的區(qū)域發(fā)生互相接觸和摩擦。外力機(jī)械作用使得兩個聚合物層發(fā)生相對滑動。低程度摩擦所造成的結(jié)果是，由于兩聚合物膜表面粗糙度的存在，等量但電性相反的靜電荷在界面處生成并分布在兩個不同聚合物膜表面上，聚酯薄膜表面主要帶正電荷，而聚酰亞胺薄膜表面主要帶負(fù)電荷，這樣就在界面處形成了一個稱之為摩擦電勢的偶極層。而該偶極層在兩個平面金屬極板間就形成一個內(nèi)電勢。由于聚合物膜本身是絕緣的，所以感生電荷不會被迅速導(dǎo)走或中和。為了抵消內(nèi)電勢生成對整個系統(tǒng)的影響，金屬極板將分別感應(yīng)出電性相反的自由電荷，而感應(yīng)到的自由電荷在外電路導(dǎo)通的情況下將發(fā)生中和，通過負(fù)載進(jìn)而形成外電流。當(dāng)外力作用消失時，兩聚合物膜由彎曲狀態(tài)恢復(fù)到平整狀態(tài)，這個過程中再次發(fā)生相對滑動和摩擦，偶極層由于界面處電荷的中和而改變，內(nèi)電勢同時改變。內(nèi)電勢的改變將再次導(dǎo)致兩個金屬極板發(fā)生感應(yīng)，產(chǎn)生與彎曲狀態(tài)完全相反的自由電荷。自由電荷流經(jīng)外電路負(fù)載時，再次形成與彎曲情況下相反的外電流。通過反復(fù)摩擦和恢復(fù)，就能夠在外電路中形成周期性的交流電信號。對圖3中的發(fā)電過程進(jìn)一步詳細(xì)描述，第一步是摩擦過程，在界面區(qū)域產(chǎn)生局域電荷，形成內(nèi)電勢。第二步是感應(yīng)過程，當(dāng)器件產(chǎn)生機(jī)械形變時，兩金屬極板間的距離發(fā)生改變，造成內(nèi)電容的改變以及內(nèi)電勢的產(chǎn)生，進(jìn)而會導(dǎo)致兩金屬極板發(fā)生自由電荷的重新分布，自由電荷流經(jīng)外電路負(fù)載時形成外電流。只有當(dāng)兩個電極間有電勢差時才會形成自由電荷的移動而產(chǎn)生電流，而電勢差正是由于摩擦起電效應(yīng)引起的。第三步是中和過程，到外部作用力消失時，兩高聚物膜的恢復(fù)到原來狀態(tài)。兩金屬極板的間距恢復(fù)到原來狀態(tài)，內(nèi)電容再次發(fā)生改變，內(nèi)電勢由于電荷的相互中和而減弱或消失。之前已經(jīng)達(dá)到電勢平衡的兩個金屬極板再次產(chǎn)生電勢差。第四步是恢復(fù)過程，自由電荷在電勢差的驅(qū)動下流經(jīng)外電路，形成電流，直到兩個金屬極板的電勢相等。在這個過程中形成與器件形變時電性符號相反的外部電流。整個過程就是摩擦電發(fā)電機(jī)輸出交流電信號的過程。最終，發(fā)電機(jī)在摩擦力被移除時，兩個高聚物膜就會恢復(fù)它們的初始形狀，電荷分布也恢復(fù)到原始狀態(tài)。整個發(fā)電過程參見附圖3。在本實(shí)施例中，為表征聚合物摩擦電發(fā)電機(jī)的性能，對該器件的電學(xué)性能進(jìn)行了表征。由于兩個金屬電極間聚合物絕緣層的存在，該器件在I-V(電流-電壓)的測量表現(xiàn)出典型的開路特征。使用周期振蕩(0. 33Hz和0. 13%的張力)的步進(jìn)電機(jī)使摩擦電發(fā)電機(jī)發(fā)生周期的彎曲和釋放，摩擦電發(fā)電機(jī)的最大輸出電壓和電流信號分別達(dá)到了 3. 3V和0. 6 y A，最大輸出功率密度達(dá)到10. 4mW/cm3。本發(fā)明摩擦發(fā)電機(jī)滿足基本電路連接的線性疊加原理，即無論正向或反向連接到測量裝置時，總的輸出電流能夠以并聯(lián)器件的方式被增強(qiáng)(相同方向)或者減少(相反的方向)。因而能夠通過平行并聯(lián)多個摩擦電發(fā)電機(jī)的方式，以及由于摩擦電發(fā)電機(jī)薄的面板結(jié)構(gòu)能夠同時裝配多層發(fā)電機(jī)，以此來增大輸出電流。當(dāng)然，也能夠通過串聯(lián)多個摩擦電發(fā)電 機(jī)組成摩擦發(fā)電機(jī)組，以提高單位面積的輸出功率。以上，本發(fā)明展示了一種利用摩擦作用獲得能量的革新而有效的方法。摩擦電發(fā)電機(jī)依靠內(nèi)部摩擦起電電勢的變化以及兩側(cè)金屬極板的誘導(dǎo)效應(yīng)產(chǎn)生電能，它是一種簡單、高效和低成本的方法。本發(fā)明并不限于上述實(shí)施方式，在不背離本發(fā)明的實(shí)質(zhì)內(nèi)容的情況下，本領(lǐng)域技術(shù)人員能夠想到的任何變形、改進(jìn)、替換均落入本發(fā)明的范圍。
權(quán)利要求
1.一種摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，包括第一電極和第二電極， 所述第一電極包括第一高分子聚合物絕緣層，所述第一高分子聚合物絕緣層一側(cè)表面為微納凹凸結(jié)構(gòu)，另一側(cè)表面設(shè)置有金屬薄膜； 所述第二電極包括第二高分子聚合物絕緣層，所述第二高分子聚合物絕緣層一側(cè)表面為微納凹凸結(jié)構(gòu)，另一側(cè)表面設(shè)置有金屬薄膜； 所述第一電極微納凹凸結(jié)構(gòu)的表面與所述第二電極微納凹凸結(jié)構(gòu)的表面正對貼合并通過外側(cè)邊緣固定連接； 所述第一高分子聚合物絕緣層上的金屬薄膜與所述第二高分子聚合物絕緣層上的金屬薄膜均為所述摩擦發(fā)電機(jī)的電壓和電流輸出電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一高分子聚合物絕緣層和所述第二高分子聚合物絕緣層分別選自聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纖維(再生)海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、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、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜以及聚乙烯丙二酚碳酸鹽薄膜中的一種，但所述第一高分子聚合物絕緣層材質(zhì)與所述第二高分子聚合物絕緣層材質(zhì)不同。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一電極和第二電極分別構(gòu)成為通過任意彎曲或變形能夠產(chǎn)生摩擦起電的柔性平板結(jié)構(gòu)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一高分子聚合物絕緣層與所述第二高分子聚合物絕緣層表面的微納凹凸結(jié)構(gòu)為納米級至微米級的凹凸結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一電極與所述第二電極的外側(cè)邊緣通過膠帶連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一高分子聚合物絕緣層上的金屬薄膜和所述第二高分子聚合物絕緣層上的金屬薄膜分別通過真空濺射法或蒸鍍法鍍于所述絕緣層表面上。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述金屬薄膜材質(zhì)為金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、烙、硒及其合金中的一種。
8.—種摩擦發(fā)電機(jī)組，其特征在于，由權(quán)利要求1-7所述的單體摩擦發(fā)電機(jī)并聯(lián)或串聯(lián)組成。
全文摘要
本發(fā)明提供了一種摩擦發(fā)電機(jī)，所述摩擦發(fā)電機(jī)包括兩個電極，該電極包括高分子聚合物絕緣層，所述高分子聚合物絕緣層一側(cè)表面為微納凹凸結(jié)構(gòu)，另一側(cè)表面設(shè)置有金屬薄膜，絕緣層電極微納凹凸結(jié)構(gòu)的表面與另一個絕緣層電極微納凹凸結(jié)構(gòu)的表面正對貼合并通過外側(cè)邊緣固定連接；金屬薄膜為摩擦發(fā)電機(jī)電壓和電流輸出的電極。本發(fā)明提供了一種利用摩擦作用獲得能量的革新而有效的方法。摩擦電發(fā)電機(jī)依靠內(nèi)部摩擦起電電勢的變化以及兩側(cè)金屬極板的誘導(dǎo)效應(yīng)產(chǎn)生電能，它是一種簡單、高效和低成本的方法。
文檔編號B32B15/04GK102684546SQ201210149940
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月15日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月15日
發(fā)明者王中林, 范鳳茹 申請人:納米新能源(唐山)有限責(zé)任公司