一种基于液态金属心脏泵效应的能量转换装置的制作方法

本发明涉及能量转换领域，特别涉及一种基于液态金属心脏泵效应的能量转换装置。

背景技术：

能量是生命赖以存在的基石，在人类社会的发展过程中起到了至关重要的作用。机械能、电能和化学能是常见的能量存储形式。根据能量守恒和转化原理，这些能量之间可以相互转化，变成符合要求和使用方便的能量形式。一般而言，在各种不同形式的能量中，易储存易控制的电能有很多优点。因此，将其它形式的能量高效方便地转化为电能具有巨大的实用价值。

转化电能的方式多种多样。在这其中，依据压电效应将机械能转化为电能是目前获得广泛关注的一种方法。因为其结构简单响应速度快等优点，这种能量回收技术已经成为了一种很有发展前途的能量转换方式，各种利用压电效应开发的新型能源采集设备也层出不穷。所谓压电效应指的是，某些电介质在沿一定方向上受到外力的作用而变形时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对表面上出现正负相反的电荷。通过收集产生的电荷，可以产生一定的电能。

液态金属以其优异的导电性、导热性、流动性和无毒性，吸引着科研界和产业界的注意。此外，因为其巨大的表面张力，一定条件下，液态金属可以发生有规律的收缩和舒张，被称为液态金属心脏泵效应。如何将液态金属心脏泵效应产生的机械能转化为电能是目前的研究前沿之一。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于液态金属心脏泵效应的能量收集装置，该能量收集装置可将液态金属的化学能转变为机械能，并进一步地转变为电能。

本发明的装置包括导电极板、压电材料板、一颗或多颗液态金属球、电信号处理器以及溶解所述液态金属球表面氧化膜的溶液；

所述溶液置于至少一个侧面为所述压电材料板的容器中，所述液态金属球置于所述溶液中，所述液态金属球处于圆球状的收缩状态时与所述导电极板的表面相接触，所述液态金属球被所述导电极板氧化后变为其他形状的舒张状态后脱离所述导电极板，与所述压电材料板的表面相接触，并给所述压电材料板压力；

所述导电极板与所述压电材料板相连接，所述压电材料板与所述电信号处理器相连接。

本发明所述能量收集装置的工作原理为，无外力的作用时，液态金属因为其巨大的表面张力会呈现出球形的收缩状态，此时液态金属和导电极板接触，液态金属可以和导电极板形成原电池并作为负极，液态金属被氧化，氧化后的液态金属表面张力大大减小，液态金属会变成舒张状态自发摊开，脱离导电极板，接触并给予压电材料板压力。在压力的作用下，压电材料板可以产生电荷的累积，再利用液态金属自身可导电的特点，可形成有效的回路，进而产生电压和电流，所述电流经导电极板传导给所述电信号处理器，经过电信号处理器的处理，转化为可利用的电能。进一步地，液态金属球表面的氧化膜被溶液溶解，液态金属球重新恢复至收缩状态，再次与导电极板接触，然后再次变为舒张状态，循环往复，实现能量的转换。因为cabrera-mottkinetics机制，液态金属因氧化生成的氧化膜十分薄(纳米级别)，所以整个过程对于液态金属和溶液的消耗量都十分小，可实现长时间的心脏泵震荡。当长时间运行后，当震荡效果不足以产生电压时，可更换碱性溶液和液态金属。

优选的，所述液态金属球的液态金属为熔点低于30℃的金属；这种金属常温下呈现液态，拥有目前已知室温液体中最大的表面张力，可有效地通过改变表面张力进而实现液滴的大幅度节律震荡。

进一步优选镓、镓铟合金或镓铟锡合金中的一种或几种；

更优选的，所述液态金属为ga60in40、ga80in20、ga70in30、ga65in35、ga75.5in24.5或ga67in21sn12中的一种或几种。这几种金属的熔点都低于20℃，可保证在一般室温工作条件下为液态。

优选的，所述液态金属球的直径>3mm。理论上更小的液态金属球同样可以产生心脏泵效应，不断地进行节律震荡。但是研究发现当液滴过小时(小于5mm)，巨大的表面张力起到更为重要的作用，使得液滴的舒张态变得不明显。为了保证能量转换的效果，此处将液态金属的直径限定为3mm以上。

进一步优选的，所述液态金属球的直径>5mm。

优选的，所述导电极板的材料为石墨、铜、镍或铁。

本发明所述的压电效应是指可产生压电效应的板材。

优选的，所述压电材料板的材料为压电陶瓷材料、压电单晶材料、无铅压电材料或有机压电材料；

更优选的，所述压电材料板的材料为锆钛酸铅(pzt)、铌镁酸铅-钛酸铅(pmn-pt)、钛酸铋钠-钛酸钡(nbbt)或聚偏氟乙烯(pvdf)。上述所选的材料可有效地将液态金属心脏泵效应所产生的节律震荡转换为电信号。

优选的，所述溶液为碱性溶液；

进一步优选的，所述碱性溶液中氢氧根的浓度为0.5～2mol/l。实验中发现，浓度过低的碱性溶液无法快速的消除液态金属表面的氧化膜，使得液态金属和压电材料板的接触时间过长甚至无法重新恢复为球形。同时，碱性过高的溶液对于能量转换装置的防腐性能要求更高。因此，同时考虑各方面性能，此处将碱性溶液的浓度限定为0.5～2mol/l。

更优选的，所述碱性溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。

优选的，所述电信号处理器包括储能型电容器(如贴片式铝电解电容器),电压电流收集模块(如csm系列)及数字信号处理模块(如tms系列)等。

优选的，所述导电极板设置于所述容器的上部开口处。

进一步优选的，所述容器的四周均为压电材料板，所述容器的底部为不导电、不易被碱性溶液和液态金属腐蚀的材料；

更优选的，所述底部的材料为有机玻璃或pdms封装膜。底部材料中心部位设计一凹槽用于固定液态金属液滴，以使液滴只在舒张塌下时和压电材料板接触，避免造成电荷流失。

作为一种优选的实施方式，所述溶液置于四周均为锆钛酸铅板的长体容器中，所述容器的底部用不导电、不易被碱性溶液和液态金属腐蚀的封装材料，所述导电极板设置于所述容器的上部开口处，所述电信号处理器设于所述石墨板上，所述容器内置有一颗液态金属球，所述的液态金属球和溶液的体积比为1:1.92～1:3.75。

上述体积比可保证装置内的液态金属球收缩和舒张的时候均可以有效地和导电极板及压电材料板接触。计算体积比的依据为，系结合实验中观察到的液态金属舒张和收缩时的半径为1:2左右。

本发明具有如下有益效果：

本能量转换装置，巧妙地利用了液态金属节律性的收缩和舒张的心脏泵效应，避免了静态压力易造成电荷流失的问题。处于其中的液态金属本身可作为导电线路的一部分，可有效地将所产生的电能导出。这种能量转换装置结构简单，最小可达到毫米级别，易于集成，有望进行广泛的应用。

附图说明

图1为实施例1的液态金属收缩时的结构示意图；

图2为实施例1的液态金属舒张时的结构示意图。

其中1是导电极板、2是电信号处理器、3是液态金属球、4是碱性溶液、5是压电材料板。

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

本实施例涉及一种基于液态金属心脏泵效果的能量转换装置，其示意图如图1和图2，其中1是石墨电极板、2是电信号处理器、3是液态金属球ga75.5in24.5、4是1mol/l氢氧化钠溶液、5是锆钛酸铅。

所述氢氧化钠溶液置于四周均为锆钛酸铅板的容器中，所述容器的底部用不导电、不易被碱性溶液和液态金属腐蚀的封装材料有机玻璃，所述导电极板设置于所述容器的上部开口处，所述电信号处理器设于所述石墨板上，液态金属球为ga75.5in24.5；

其中锆钛酸铅板长宽高分别为4cm×4cm×1cm，石墨板的长宽高分别为5cm×4cm×1cm，纯度为99％。液态金属ga75.5in24.5的熔点为15.7摄氏度，氢氧化钠溶液体积为80ml。

本实施例所述能量转换装置的工作过程为：

将ga75.5in24.5放置到氢氧化钠溶液环境中时，液态金属因为其巨大的表面张力会呈现出球形，此时为收缩状态。通过控制合适的尺寸，让表现为球形的液态金属可以与石墨板接触。当液态金属和石墨板接触时，因为液态金属可以和石墨板形成原电池并作为负极，所以液态金属会被氧化。氧化后的液态金属表面张力大大减小，液态金属会自发摊开，从而脱离石墨板，接触并给予压电模块锆钛酸铅一个力，此时为液态金属的舒张状态。因为液态金属对压电模块有力的作用，压电模块可以产生电荷的累积。再利用液态金属自身可导电的特点，可形成有效的回路，进而产生电压和电流。所述电流经石墨板传递给所述电信号处理器，转化为可利用的电能。

进一步地，碱性溶液可以溶解处于舒张态的液态金属表面的氧化膜，从而使液态金属重新变为高张力状态，恢复为球形，再次接触石墨板。接触石墨板的液态金属会因为被氧化再次舒张，接触压电模块，产生电能。如此节律性的收缩和舒张，既避免了应力的静态化，又能持续将化学能转变成机械能，最终变成可供利用的电能。

实施例2

本实施例涉及一种基于液态金属心脏泵效应的能量转换装置，与实施例1相比，其区别在于，导电极板换成铜板，同时压电材料板换成pvdf。能量转换原理同实施例1，在此不再赘述。

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。