一种多层柔性可扩展型摩擦发电机的制作方法

本发明属于摩擦发电机技术领域，具体涉及一种多层柔性可扩展型摩擦发电机。

背景技术：

人类历史上最主要的能量转换形式是燃烧，通常其效率较低且会带来严重的环境问题。因此如何实现高效的能量转换和存储吸引着无数科研工作者的关注。同时，随着人们对小型、集成化电子设备需求的不断提升，微型自驱动电子系统和便携式电子设备得以迅猛发展，对电子设备的供电系统也有了更高层次的要求。

摩擦起电和静电感应是自然界中十分常见的两种现象，近年来，利用摩擦起电和静电感应的耦合，摩擦发电机日趋成为全世界研究的热点，其基本原理是利用两种摩擦极性相差较大的不同材料之间的相互接触分离或摩擦产生电荷，结合静电感应将机械能转化成电能，具有结构原理简单和输出效率高的特点。为了有效地将自然界中广泛存在的水能、风能、人体运动等形式多样的机械能转化为电能，科研工作者们设计出了能够满足实际需要的不同结构类型的摩擦发电机，并且成功应用于自驱动传感器、自驱动电子系统及有机污染物自驱动降解等领域。

目前已有的摩擦发电机在实际应用中主要存在输出稳定性差和功率密度低等缺陷，这在一定程度上限制了摩擦发电机的广泛应用。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是提供了一种结构简单且设计合理的多层柔性可扩展型摩擦发电机，用于解决现有的摩擦发电机在往复运动振动能量收集时转换效率低和对运动频率要求高的技术问题。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种多层柔性可扩展型摩擦发电机，其特征在于由多个发电机单元扩展拼接组装而成，每个发电机单元分别包括上支撑板、下支撑板、连接上支撑板和下支撑板的柔性辅助支撑及设置于上支撑板和下支撑板之间的至少一个摩擦发电单元，该摩擦发电单元由固定于上支撑板和下支撑板之间的柔性折叠式基底及间隔设置于柔性折叠式基底两侧的第一摩擦单元和第二摩擦单元构成，其中第一摩擦单元由固定于柔性折叠式基底上的第一摩擦层构成，第二摩擦单元由依次固定于柔性折叠式基底上的金属电极板和第二摩擦层构成，第一摩擦层为束缚电子能力弱的金属导电层，第二摩擦层为束缚电子能力强的非金属绝缘层，柔性折叠式基底上第一摩擦层和第二摩擦层在外力作用下作相互接触分离运动。

进一步优选，所述柔性折叠式基底的两端分别叠压固定于上支撑板和下支撑板上，柔性折叠式基底在上支撑板和下支撑板的叠压部位分别设有第一摩擦单元或第二摩擦单元。

进一步优选，多个第一摩擦单元的金属导电层并联，多个第二摩擦单元的金属电极板并联。

进一步优选，所述第一摩擦层的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金，第一摩擦层的厚度为50μm-1mm，第二摩擦层的材质为聚四氟乙烯，第二摩擦层的厚度为50μm-1mm，金属电极板的材质为铝或铜。

进一步优选，所述第二摩擦层进行电荷注入预处理。

进一步优选，所述第一摩擦层和第二摩擦层的接触面积相等。

进一步优选，所述第一摩擦单元由依次固定于柔性折叠式基底上的海绵层和第一摩擦层构成。

进一步优选，所述柔性折叠式基底和柔性辅助支撑的材质均为聚酰亚胺柔性薄膜，该柔性折叠式基底的厚度为50μm-1mm。

进一步优选，所述上支撑板和下支撑板均为亚克力板。

本发明设计并制作的多层柔性可扩展型摩擦发电机，在提高发电机输出性能及稳定性方面，从以下四个方面进行了创新和改进：

所述第二摩擦单元中的第二摩擦层均为聚合物摩擦层，且均在高压设备下进行了电荷预注入处理，显著提升了其输出性能；所述多层柔性可扩展型摩擦发电机在整体结构设计上，采取了在有限的往复运动空间内增大有效接触面积的折叠式设计方案，大幅提升了其输出性能；所述第一摩擦单元中可以借助添加海绵层的方法，使得各摩擦层在接触分离时受力均匀、接触充分，提高输出性能稳定性；所述多层柔性可扩展型摩擦发电机可实现以发电机单元进行三维扩展连接，实现自由控制摩擦发电机的整体体积和输出性能，满足各种实际需求。

本发明的多层柔性可扩展型摩擦发电机的输出性能可由摩擦发电单元的数量、发电机单元式拼接的数量、往复运动的频率及各摩擦层间有效接触面积等因素共同决定。目前，本发明已实现两个发电机单元纵向叠加，达到12个摩擦层同步接触与分离的效果，最佳输出短路电流与开路电压分别为600μa和900v，每个摩擦层的有效接触面积为30cm²。

本发明的有益效果是：

本发明的多层柔性可扩展型摩擦发电机具有输出功率大、输出电流和电压稳定性好和输出性能可依据发电机单元叠加数量及摩擦单元数量进行控制等优势。另外，所述多层柔性可扩展型摩擦发电机具有结构原理简单、制作简易及耐磨耐用等优点。

本发明提供的多层柔性可扩展型摩擦发电机的优势在于：

1、所述第二摩擦层的聚合物均进行电荷预注入处理，显著提升摩擦层表面电荷密度，与摩擦层表面微纳结构处理的方法相比，具有方法简单及成本低廉的优势；

2、所述多层柔性可扩展型摩擦发电机，为了有效提升输出性能，在结构上采用多层折叠式设计，在有限的运动空间内实现摩擦层接触面积最大化；

3、所述第一摩擦单元中添加海绵层，使各摩擦层受力均匀，输出性能稳定；

4、所述多层柔性可扩展型摩擦发电机能以发电机单元进行三维拼接扩展，进而满足不同实际状况的需求。

附图说明

图1是多层柔性可扩展型摩擦发电机的结构示意图；

图2是图1中a处的局部放大图；

图3是多层柔性可扩展型摩擦发电机中发电机单元的结构示意图；

图4是多层柔性可扩展型摩擦发电机电流产生原理示意图；

图5是多层柔性可扩展型摩擦发电机电压产生原理示意图；

图6是多层柔性可扩展型摩擦发电机的短路电流曲线；

图7是多层柔性可扩展型摩擦发电机的电压波形曲线。

图中：1、柔性辅助支撑，2、下支撑板，3、柔性折叠式基底，4、金属电极板，5、第二摩擦层，6、第一摩擦层，7、海绵层，8、上支撑板。

具体实施方式

以下将结合附图对本发明的具体实施方式进行详细、完整地描述。应当注意的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下”是指示图中的方向；“填充度”定义为接触和分离过程中形成的面积。

如图1-3所示，一种多层柔性可扩展型摩擦发电机，由多个发电机单元扩展拼接组装而成，每个发电机单元分别包括上支撑板8、下支撑板2、连接上支撑板8和下支撑板2的柔性辅助支撑1及设置于上支撑板8和下支撑板2之间的至少一个摩擦发电单元，该摩擦发电单元由固定于上支撑板8和下支撑板2之间的柔性折叠式基底3及间隔设置于柔性折叠式基底3两侧的第一摩擦单元和第二摩擦单元构成，其中第一摩擦单元由依次固定于柔性折叠式基底3上的海绵层7和第一摩擦层6构成，第二摩擦单元由依次固定于柔性折叠式基底3上的金属电极板4和第二摩擦层5构成，第一摩擦层6为束缚电子能力弱的金属导电层，第二摩擦层5为束缚电子能力强的非金属绝缘层并且该第二摩擦层5进行电荷注入预处理，柔性折叠式基底3上第一摩擦层6和第二摩擦层5在外力作用下作相互接触分离运动。

本发明所述柔性折叠式基底3的两端分别叠压固定于上支撑板8和下支撑板2上，柔性折叠式基底3在上支撑板8和下支撑板2的叠压部位分别设有第一摩擦单元或第二摩擦单元；多个第一摩擦单元的金属导电层并联，多个第二摩擦单元的金属电极板并联；所述第一摩擦层6的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金，第一摩擦层6的厚度为50μm-1mm，第二摩擦层5的材质为聚四氟乙烯，第二摩擦层5的厚度为50μm-1mm，金属电极板的材质为铝或铜；所述第一摩擦层6和第二摩擦层5的接触面积相等；所述柔性折叠式基底3和柔性辅助支撑1的材质均为聚酰亚胺柔性薄膜，该柔性折叠式基底3及柔性辅助支撑1的厚度均为50μm-1mm；所述上支撑板8和下支撑板2均为亚克力板。

本发明所述的多层柔性可扩展型摩擦发电机的工作原理为：在任意频率的往复外力或振动环境下，多个第一摩擦层与第二摩擦层同时相互接触与分离，由于各摩擦层材料在接触时会在某部分表面形成化学键，电荷由一个表面转移到另一个表面，为了达到平衡电势就产生摩擦电荷。

如图3所示，将第一摩擦单元中第一摩擦层与第二摩擦单元中第二摩擦层连接的金属电极板用导线连接起来，当带电摩擦层接触或分离时，检测到电流。如图4所示，当第一摩擦层与第二摩擦层连接的金属电极板未用导线接通时，两摩擦层之间存在电势差，监测到电压；当第一摩擦层与第二摩擦层连接的金属电极板之间连接负载，发电机在外部往复外力作用下运动检测到有往复的电流流经负载。

下面给出一种制造多层柔性可扩展型摩擦发电机的方案，但该多层柔性可扩展型摩擦发电机的制作并不仅限于此。

该方案中：选择亚克力板作为上下支撑板，尺寸：120mm×50mm×4mm；选择面积相同的金属电极板和海绵层，尺寸均为：60mm×50mm，金属电极板材质为铜，厚度为50um-1mm，优选0.1mm，海绵层厚度优选为2mm；第二摩擦层材质为聚四氟乙烯，厚度与第一摩擦层厚度尺寸一致，覆盖程度为100%。

根据上述对多层柔性可扩展型摩擦发电机工作原理的说明，按上述优选方案设计制造的多层折叠式摩擦发电机的摩擦单元数为12个，采用左右对称的结构。所述发电机在频率1-2hz，振幅20mm的条件下往复运动，如图5与图6所示为该多层柔性可扩展型摩擦发电机的输出特性，短路电流最大可达600μa，最大开路电压可达900v。

利用该多层柔性可扩展型摩擦发电机组成自驱动电化学降解体系，应用于偶氮类染料—碱性橙ii的降解，发现溶液颜色随着降解时间逐渐由橙色变为无色，表明碱性橙ii分子转化成了其它物质，成功实现了利用摩擦发电机发电对偶氮类有机污染物的处理，有望降低含偶氮类污染物工业废水的处理成本。

由此可知，本发明的多层柔性可扩展型摩擦发电机具有结构简单、制作方便、成本低廉及输出性能好且稳定的优点。与此同时，所述摩擦发电机可以通过改变发电机单元连接数量以及摩擦层数量等控制其输出性能。本发明所述多层柔性可扩展型摩擦发电机对振动频率范围的要求较宽，故其应用范围会十分广泛。

以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。