一种摩擦能量采集器及其制备方法与流程

本发明涉及能量采集领域，尤其涉及一种摩擦能量采集器及其制备方法。

背景技术：

由于不可再生能源的日益消耗和环境问题的日益突出，绿色新能源的开发与研究将会成为新的趋势。摩擦起电效应是为数不多的人们已经知道了几千年的效应，这种效应是我们每天都要经历的现象，能够被用来把机械能转化为电能，即摩擦发电。作为一个新的研究领域，能够利用新技术和微纳米材料高效收集和储存环境中的能量，来实现微纳系统的可持续运转。

摩擦能量采集，采集环境中的相对摩擦，而摩擦能广泛的存在，且不像光能、热能等受到自然条件的限制，所以将环境中的摩擦能直接转换成可以稳定输出的电能具有广阔的应用前景。

对于现有的摩擦能量收集，还处于一个起步的阶段。虽然说在各个领域都有一定的涉及，但都不能得到广泛的应用，因为收集的能量还不够稳定。但由于其有着广泛的应用前景，将极大的推动各个领域的发展，对未来产业做出贡献。现在需要改善的地方有以下几个方面：

1、teng输出的能量需进一步提高，而输出与材料、结构、摩擦面的接触层

有着极大关系，所以在摩擦材料的选择，结构的设计、表面微纳结构的修饰，

接触分离更加充分等几方面的问题上来提高输出。

2、摩擦纳米发电机的尺寸不能太大，重量也要尽可能轻，因此结构要不断优化，并且，应提高其稳定性。

3、摩擦能量采集器工艺复杂、制造成本昂贵、操作难度大、制备周期长、难以大规模生产，这些因素制约了这类方法的产业化。

所以如何设计一种摩擦能量采集器及其制备方法，提高输出、结构简单、性能良好、制造工艺方便、提高其稳定性。是业界亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明为了解决现有技术的上述不足，提出了一种摩擦能量采集器，包括悬臂梁结构和设置在悬臂梁结构上的发电装置，所述悬臂梁结构包括固定支座和设置在固定支座一侧的悬挑臂状的自由端，其特征在于：所述发电装置设于自由端的下部，该发电装置包括表贴固定在自由端下表面的第一支撑层，所述第一支撑层的下表面表贴有第一摩擦层，在第一摩擦层的下方设置有和该第一摩擦层对应的第二摩擦层，所述第二摩擦层的下表面固定在第二支撑层上，所述第二支撑层安装在预设的能量采集位置；其中，第一摩擦层和第二摩擦层之间具有一定的摩擦间隙，且第一摩擦层采用负极材料制成，所述第二摩擦层采用可作为正极的金属材料制成，所述第一摩擦层通过伴随着自由端自由移动而不断与所述第二摩擦层产生动摩擦，从而让第一摩擦层和第二摩擦层形成电荷的转移，进而让第一摩擦层和第二摩擦层之间产生电流。

优选地，所述第一摩擦层通过导电银胶粘结固定在所述第一支撑层上，所述第二摩擦层通过导电银胶粘结固定在所述第二支撑层上。

优选地，所述第一摩擦层采用聚二甲基硅氧烷膜性材料制成，且该第一摩擦层的摩擦面上均匀阵列分布有小凸块。

优选地，所述小凸块与所述第一摩擦层注塑成一体。

优选地，所述第二摩擦层采用金属片、金属合金片、金属氧化物片，或图形化金属线高分子聚合物层叠体。

优选地，第一支撑层和第二支撑层都采用玻璃板，且所述第一摩擦层和第二摩擦层的边缘都用导电银胶接上细导线。

优选地，所述第一支撑层和第二支撑层的厚度都为1cm。

优选地，所述固定支座（101）厚度为3.5cm，自由端厚度为0.8cm，所述第一摩擦层的厚度为500μm～800μm，所述第二摩擦层的厚度为400nm。

本发明还提出了一种制作摩擦能量采集器的制备方法，包括以下步骤：

步骤s101，选取硅片，采用激光切割设备在硅片上切割出尺寸为100μm×100μm大小的凹块形状，凹块形状的厚度为15～100微米；

步骤s102，选取聚二甲基硅氧烷材料，将其加入固化剂当中，充分搅拌后放入抽真空设备中，抽真空直至气泡完全消失；

步骤s103，在黄光环境下，先在步骤s101中切割好形状的硅片的小凹块上涂一层脱模剂；

步骤s104，利用可调式涂膜器将pdms混合液刮涂在凹块形状上，放在甩胶台中间，进行甩胶旋涂；

步骤s105，将旋涂好的聚二甲基硅氧烷溶液放入烘箱进行烘烤。

步骤s106，待聚二甲基硅氧烷溶液烘干凝固后，取出自然冷却至室温，小心用镊子取下即得到带凸块的聚二甲基硅氧烷膜，进而制成第一摩擦层；

步骤s107，选用玻璃片作为第二支撑层，对玻璃片采用磁控溅射机在玻璃片上溅射铝电极，铝电极作为第二摩擦层。

步骤s108，采用3d打印机打印出悬臂梁结构，悬臂梁结构包括固定支座和自由端；

步骤s109，选用玻璃片作为第一支撑层，将悬臂梁结构的自由端和第一支撑层粘连在一起，在第一支撑层下表面粘上第一摩擦层，并在其中涂上导电银胶接上细导线，用于连接摩擦能量采集器的第二摩擦层或者外接电路。

步骤s110，在距离第一摩擦层的平行下端3mm处，放置镀上了铝电极的玻璃板，并在边缘用导电银胶接上细导线，用于连接摩擦能量采集器的第二电极层或者外接电路。

进一步地，在所述步骤s107中，作为第二摩擦层的铝电极采用3mvhb强力胶粘贴后撕拉开，让铝电极形成粗糙表面。

进一步地，在步骤s108中，3d打印制作悬臂梁结构的材料采用弹性、塑性较好的abs材料。

进一步地，在步骤s105中，烘箱的烘烤温度设置为100℃。

另外，本发明的第一摩擦层可采用的材料不仅仅局限于聚二甲基硅氧烷膜性材料，还可以采用采用以下材料中的任意一种或者多种：聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚物、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯、聚酰亚胺、苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺甲醛、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯、酚醛树脂、氯丁橡胶、纤维素、天然橡胶、乙基纤维素、纤维素乙酸酯、聚己二酸乙二醇酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、人造纤维、聚乙醇缩丁醛、纤维海绵、聚氨酯弹性体、苯乙烯丙烯共聚物、苯乙烯丁二烯共聚物、聚乙烯丙二酚碳酸盐、人造纤维、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯柔性海绵、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、液晶高分子聚合物和派瑞林。

在制作第一摩擦层时，如果采用聚二甲基硅氧烷膜性材料，则需在聚二甲基硅氧烷加入固化剂，其比例为10:1，小凸块采用激光切割硅片作为模板，且膜之前，旋涂一层脱模剂，这样在第一摩擦层的聚二甲基硅氧烷膜置入到硅片的凹块形状内时，就可以在表面形成小凸块，由于在成膜前已经旋涂一层脱模剂，这样当第一摩擦层形成了小凸块后就可以直接从模板内脱离。

第二摩擦层既是摩擦层又是电极层，材料选用金属、合金、金属氧化物，或图形化金属线-高分子聚合物层叠体，其中金属包括金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒，合金包括铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。

自由端、第一支撑层、电极层、第一摩擦层、空气层、第二摩擦层、第二支撑层沿厚度方向依次排列。第一摩擦层和第二摩擦层两者的材料的摩擦电极序不同，相对平行放置。第一支撑层和第二支撑层均采用材料为玻璃。

所述臂梁结构装置采用3d打印机打印而成，固定支座和自由端一体化，且用弹性和塑性材料，所述固定支座支座厚度为0.5cm，自由端厚度为10μm，所述第一支撑层和第二支撑层厚度均为10μm，电极层为400nm，第一摩擦层和第二摩擦层厚度均为500μm～800μm。

本发明的设计要点在于设置了发电装置和悬臂梁结构，发电装置由支撑层和摩擦层等部件构成，结构简单，质量轻便，制作容易，可批量生产，并且有较高的能量转换效率。器件微型化、集成化，提高和改善微型能量采集器的输出性能。通过拍打、振动、摩擦等多种方式将机械运动转化为电能。

与现有技术相比，本发明在于结构简单，质量轻便，制作容易，可批量生产，并且有较高的能量转换效率。器件微型化、集成化，提高和改善微型能量采集器的输出性能。通过拍打、振动、摩擦等多种方式将机械运动转化为电能。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的悬臂梁结构示意图；

图3为本发明的激光切割硅片结构示意图；

图4为发明的聚二甲基硅氧烷膜结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对发明进行详细的说明。

如图1至4所示，本发明提出了一种摩擦能量采集器，包括悬臂梁结构1和设置在悬臂梁结构上的发电装置，悬臂梁结构包括固定支座101和设置在固定支座一侧的悬挑臂状的自由端102，发电装置设于自由端102的下部，该发电装置包括表贴固定在自由端下表面的第一支撑层2，第一支撑层的下表面表贴有第一摩擦层3，在第一摩擦层的下方设置有和该第一摩擦层对应的第二摩擦层5，第二摩擦层的下表面固定在第二支撑层4上，第二支撑层安装在预设的能量采集位置；其中，第一摩擦层和第二摩擦层之间具有一定的摩擦间隙，且第一摩擦层采用负极材料制成，所述第二摩擦层采用可作为正极的金属材料制成，所述第一摩擦层通过伴随着自由端自由移动而不断与所述第二摩擦层产生动摩擦，从而让第一摩擦层和第二摩擦层形成电荷的转移，进而让第一摩擦层和第二摩擦层之间产生电流。

第一摩擦层通过导电银胶粘结固定在所述第一支撑层2上，所述第二摩擦层通过导电银胶粘结固定在所述第二支撑层4上。

第一摩擦层3采用聚二甲基硅氧烷膜性材料制成，且该第一摩擦层3的摩擦面上均匀阵列分布有小凸块301。小凸块301与第一摩擦层3注塑成一体。第二摩擦层采用金属片、金属合金片、金属氧化物片，或图形化金属线高分子聚合物层叠体。第一支撑层和第二支撑层都采用玻璃板，且所述第一摩擦层和第二摩擦层的边缘都用导电银胶接上细导线。第一支撑层和第二支撑层的厚度都为1cm。固定支座101厚度为3.5cm，自由端厚度为0.8cm，所述第一摩擦层的厚度为500μm～800μm，所述第二摩擦层的厚度为400nm。

第一摩擦层采用聚二甲基硅氧烷材料，厚度为500μm～800μm，且表面带有厚度为15μm～100μm的小凸块302，如图4所示。所述第一摩擦层的聚二甲基硅氧烷膜的形成，需在聚二甲基硅氧烷加入固化剂，其比例为10:1。所述聚二甲基硅氧烷表面的小凸块302采用激光切割硅片6作为模板，如图3所示，在聚二甲基硅氧烷成膜之前，旋涂一层脱模剂。所述第二摩擦层5既是摩擦层又是电极层，采用铝金属，由磁控溅射方法制备而成，并采用3mvhb强力胶粘贴后撕拉开，形成粗糙表面。所述摩擦能量采集器沿厚度方向，依次排列为：悬臂梁自由端102、支撑层2、导电银胶、第一摩擦层3、空气层、第二摩擦层5、支撑层4。第一摩擦层3和第二摩擦层5两者的材料的摩擦电极序不同，相对平行放置。所述摩擦能量采集器中的两处支撑层均采用材料为玻璃。所述摩擦能量采集器中的悬臂梁结构装置1采用创想三维3d打印机打印而成，固定支座101和自由端102一体化，材料选用弹性、塑性较好的abs材料，如图2所示。所述摩擦能量采集器中的悬臂梁固定支座101厚度为3.5cm，自由端厚度为0.8cm，支撑层厚度为1cm，电极层为400nm，摩擦层厚度为500μm～800μm。

本发明提供的第一摩擦层采用聚二甲基硅氧烷材料，厚度为500μm～800μm，且表面带有厚度为15μm～100μm的小凸块302，第一摩擦层的聚二甲基硅氧烷膜的形成，需在聚二甲基硅氧烷加入固化剂，其比例为10:1。聚二甲基硅氧烷表面的小凸块302采用激光切割硅片6作为模板，如图3所示，在聚二甲基硅氧烷成膜之前，旋涂一层脱模剂。第二摩擦层5既是摩擦层又是电极层，采用金属材料，由磁控溅射方法制备而成，并采用3mvhb强力胶粘贴后撕拉开，形成粗糙表面。所述摩擦能量采集器沿厚度方向，依次排列为：悬臂梁自由端102、支撑层2、导电银胶、第一摩擦层3、空气层、第二摩擦层5、支撑层4。第一摩擦层3和第二摩擦层5两者的材料的摩擦电极序不同，相对平行放置。所述摩擦能量采集器中的两处支撑层均采用材料为玻璃。所述摩擦能量采集器中的悬臂梁结构装置1采用创想三维3d打印机打印而成，固定支座101和自由端102一体化，材料选用弹性、塑性较好的abs材料，摩擦能量采集器中的悬臂梁固定支座101厚度为3.5cm，自由端厚度为0.8cm，支撑层厚度为1cm，电极层为400nm，摩擦层厚度为500μm～800μm。

另外本发明实例还提供了一种上述实施例中提供的任意一种摩擦能量采集器的制备方法，该制备方法包括：

步骤s102，将聚二甲基硅氧烷加入固化剂当中，比例为10:1，充分搅拌后放入抽真空设备中，直至气泡完全消失。

步骤s103，在黄光环境下，先在步骤s101中切割好形状的硅片上涂一层脱模剂。

步骤s104，利用可调式涂膜器将pdms混合液刮涂在硅片上，放在甩胶台中间，设置速度为650r/min，时间为60s进行甩胶旋涂。

步骤s105，将旋涂好的聚二甲基硅氧烷溶液放入烘箱，温度设置为100℃，时间为2h。

步骤s106，待聚二甲基硅氧烷溶液烘干凝固后，取出自然冷却至室温，小心用镊子取下即得到带凸块302的聚二甲基硅氧烷膜，为第一摩擦层3，如图4所示。

步骤s107，选用一块厚度为1cm尺寸为2cm×2cm的玻璃片，采用磁控溅射机在玻璃片上溅射铝电极，溅射1.5h，厚度为400nm。

步骤s108，采用3mvhb强力胶粘贴s107步骤溅射的铝电极后撕拉开，形成粗糙表面。

步骤s109，在三维软件ug或solidworks上画出悬臂梁装置的三维图，如图2所示包括固定支座101和自由端102，如图2所示。

步骤s110，采用printstudio软件切片处理后，接入创想三维cr-2020智能3d打印机中，采用弹性、塑性较好的abs材料，打印10min即可完成。

步骤s111，将悬臂梁的自由端102和支撑层2粘连在一起，在支撑层2下表面粘上聚二甲基硅氧烷膜3，并在其中涂上导电银胶接上细导线，用于连接摩擦能量采集器的第二电极层5或者外接电路。

步骤s112，在距离第一摩擦层的平行下端3mm处，放置镀上了铝电极的玻璃板，并在边缘用导电银胶接上细导线，用于连接摩擦能量采集器的第二电极层或者外接电路。

上述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利和保护范围应以所附权利要求书为准。