一种利用重力场变化进行发电的纳米发电机及其制备方法与流程

本发明涉及压电发电技术领域，具体涉及一种纳米发电机及其制备方法。

背景技术：

随着物联网的进步与发展，以传感器组成的无线传感网络已经从早期有限的应用领域扩展到了工业、农业、交通、医疗、智能硬件等各个领域。这些无线传感器网络节点或植入式设备，与那些可方便连接电源的电子产品(如手机，便携电脑等)最大的不同在于：它们需要靠自身携带的电池供电，且不方便充电。而且，电池不但增加了设备的尺寸，限制了设备的工作时间，还会由于更换电池(某些植入式设备还不能更换电池)而造成环境污染。

为了解决无线网络节点的续航问题，从环境中收集能量(即微能量采集)得到了业界的广泛关注。目前，能量收集的主要来源有太阳能、机械能、电磁能和温差能。手机、智能硬件等产品使用太阳能充电一来不太方便，二来室内、夜间无法充电；利用压电效应将机械能转化为电能的压电发电机，无法在静止时为设备充电；电磁发电、温差发电则由于效率问题而难以商业化。如果能利用重力，使压电材料产生压电效应，则完美的解决了太阳能和机械能的缺点。

研究表明，地球不是一个正球体，而是一个近似于两级压扁的扁球体，又由于起伏不平的地表，这将引起近60000g.u的重力变化；同时，地球绕一定的轴自转，也能使重力有34000g.u的变化，地球重力日变曲线示意图如图4。

综上所述，如果能研发出一种新型的发电机，使得它能将变化的重力能转化为电能，那么利用这种压电材料制备的纳米发电机，将彻底解决电子产品的续航以及充电问题。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用重力场的变化进行发电的纳米发电机。所述发电机包括一个或多个发电单元，一个所述发电单元的主体结构包括高敏型的板式压电复合材料、纳米线和纳米悬球，所述纳米悬球通过所述纳米线悬挂于所述板式压电复合材料的下表面，至少与所述纳米悬线的悬挂位置相对应的，所述板式压电复合材料的上下表面均设有导电基底。

本发明所述的纳米发电机，随着重力场的变化，所述纳米悬球会发生轻微的摆动及颤动，带动所述纳米悬线的摆动及颤动，进一步引起板式压电复合材料的形变，从而利用压电效应而发电。

优选的，所述导电基底完全地覆盖于所述述板式压电复合材料的上下表面。通过上述设置可更好地起到导电的作用，而且在制作工艺上也会有明显地简化。

优选的，一个或多个所述发电单元的主体结构设置于真空腔体中。将所述一个或多个所述发电单元的主体结构置于真空腔体中，形成一个或多个所述发电单元。当为多个发电单元的主体结构时，可将多个发电单元的主体结构放置于同一个大型的真空腔体中，也可将多个发电单元的主体结构分别放置于多个小型的真空腔体中。将所述发电单元的主体结构置于真空环境下免除了空气阻力对小球运动的影响，可有效地提高发电效率

优选的，所述板式压电复合材料由锆钛酸铅和聚偏氟乙烯的混合料制备而成。

进一步优选的，所述混合料中锆钛酸铅的质量分数为5～25％。上述材料具有更好的压敏性能。

优选的，所述导电基底由金、银、铜、铝等导电金属，或导电橡胶类的非金属导电材料制备而成。

优选的，所述纳米悬球的直径大小与所述纳米线长度之比为1：3～20。保持上述的长度比，可将纳米悬球随重力产生的位置变化更灵敏地传递给所述板式压电复合材料。

优选的，所述纳米线的长度为200nm～600um，一个所述发电单元的主体结构中所述板式压电复合材料的面积为1mm²～4mm²，所述板式压电复合材料的厚度为100um～1000um。

优选的，所述纳米线和纳米悬球的材质与所述板式压电复合材料料的材质相同。

优选的，所述发电单元在垂直方向的高度不小于100um。

优选的，上下导电基底的表面均设有电极，所述电极上连接导线。

优选的，多所述发电单元以并联的方式连接。单个发电单元的发电量较小，为保证发电装置的正常工作，设置为并联的多个发电机单元。

优选的，多个所述发电单元的结构为，多个所述发电单元中的板式压电复合材料一体成型，以矩阵的形式分布于同一个水平面上，在每一个所述板式复合材料的下表面均设有纳米线，所述纳米线上分别悬挂纳米悬球；在多个所述板式复合材料的上下表面统一涂覆设置导电基底，统一设置上下电极，电极与一套上下导线相连，形成多个所述发电单元的主体结构，所述多个所述发电单元的主体结构设置于同一个大型的真空腔体中。

优选的，10～100个所述发电单元并联。在上述数目下，可更好地通过并联实现有效地发电。

本发明的另一目的是保护本发明所述纳米发电机的制备方法，其中，一个所述发电单元的主体结构的制备包括：

通过干法刻蚀在所述板式压电复合材料的上表面或下表面加工出所述纳米线和所述纳米悬球；

在所述板式压电复合材料上下表面设置导电基底；

在所述上下导电基底的表面分别设置电极，在所述电极上连接导线，得发电单元主体结构。

优选的，还包括如下步骤：将所述发电单元主体结构置于密封腔体中，抽真空，得单个所述发电单元。

多个发电单元的制备包括：

1)取大面积的所述板式压电复合材料，垂直于所述板式压电复合材料的表面进行不完全切割，在切割出来的凹槽中填充环氧树脂；

2)垂直于所述板式压电复合材料的表面，与步骤1)中所述的切割的线呈30～150度夹角，再次进行不完全切割，在切割出来的凹槽中填充环氧树脂，得到多个矩阵式排列的所述板式压电复合材料；

3)在每个所述板式压电式复合材料的一个表面通过刻蚀法加工出所述纳米线和所述纳米悬球；

4)在每个所述板式压电复合材料上下表面设置导电基底；在所述上下导电基底的表面设置电极，在所述电极上连接导线，得多个所述发电单元的主体结构；

5)将多个所述发电单元的主体结构置于密封腔体中，抽真空。

通过上述的方法加工多个发电单元，可简化发电单元的制备步骤，并且所述多个发电单元采用并联方式联通，可以提高所发电的电压与电流。

上述电极可统一涂覆或分别涂覆。

本发明具有如下有益效果：

本发明提出了利用重力场变化的纳米发电机，能够通过纳米悬球感应地球重力场的变化，从而带动纳米线引起压电复合材料产生形变，进而产生压电能量。这种装置结构简单，从重力场中直接收集能量进行发电，可有效地解决放置于野外的电子产品的续航以及充电问题。

附图说明

图1为实施例1所述纳米发电机的结构示意图；

图2为实施例2所述纳米发电机组的矩阵式复合材料的结构示意图；

图3为实施例2所述纳米发电机组的矩阵式复合材料的制备流程图。

图4为地球重力日变曲线示意图。

图中，1为板式压电复合材料、2为纳米线、3为纳米悬球、4.1和4.2为导电基底、5.1和5.2为电极。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例涉及本发明所述电机的一个发电单元，所述发电单元的主体结构包括板式压电复合材料1、纳米线2和纳米悬球3，所述纳米悬球通过所述纳米线悬挂于所述板式压电复合材料的下方，所述板式压电复合材料的上下表面设有导电基底，上下导电基底的表面均设有电极，所述电极上连接导线，其结构示意图如图1和图2；

所述板式压电复合材料的厚度为800um，所述板式压电复合材料的面积为4mm²，所述纳米线的长度为500um，所述纳米悬球的直径为25um。

所述板式压电复合材料、纳米线和纳米悬球均由锆钛酸铅和聚偏氟乙烯的混合料制备而成，其中锆钛酸铅的质量分数为10％；

所述发电单元的主体结构放置于真空腔体中，形成发电单元。

实施例2

本实施例涉及多个发电单元，将多个实施例1所述的纳米发电机中的导电基底以矩阵的形式进行排列，并将各个纳米发电机以并联的方式连接(其结构示意图如图2)

其具体结构为：多个所述发电单元中的板式压电复合材料一体成型，以矩阵的形式分布于同一个水平面上，在每一个所述板式复合材料的下表面均设有纳米线，所述纳米线上分别悬挂纳米悬球；在多个所述板式复合材料的上下表面统一涂覆设置导电基底，统一设置上下电极，电极与一套上下的导线相连，形成多个所述发电单元的主体结构，所述多个所述发电单元的主体结构设置于同一个大型的真空腔体中。

实施例3

本实施例涉及实施例2所述多个发电单元的制备，包括如下步骤：

1)取大面积的所述板式压电复合材料，沿x轴的方法，垂直于所述板式压电复合材料的表面进行不完全切割，在切割出来的凹槽中填充环氧树脂；

2)垂直于所述板式压电复合材料的表面，沿y轴的方向，再次进行不完全切割，在切割出来的凹槽中填充环氧树脂，得到多个矩阵式排列的所述板式压电复合材料；

3)在每个所述板式压电式复合材料的下表面通过刻蚀法加工出所述纳米线和所述纳米悬球；

4)在每个所述板式压电复合材料上下表面设置导电基底4.1和4。2；

5)在基底上镀上电极5.1和5.2，并引出导线；(其制图流程图如图3)

6)将上述主体发电结构放置于密封腔体中，抽真空，即得所述纳米发电机。

虽然，上文中已经用一般性说明、具体实施方式及试验，对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。