一种气体介质增强型摩擦纳米发电机的制作方法

本发明涉及一种摩擦纳米发电机，特别是涉及一种气体介质增强型摩擦纳米发电机。

背景技术：

振动是一种我们日常生活中最常见的机械运动，存在于人体运动如跑步、走路等活动中，以及在水的波动中也可产生振动，从环境中的机械振动采集能量来给电子器件供电可以被广泛应用，纳米发电机收集周围环境中的机械能来驱动便携式电子设备，是非常值得期待的一门技术。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种气体介质增强型摩擦纳米发电机，能够探索不同气体介质对摩擦纳米发电机输出的影响。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种气体介质增强型摩擦纳米发电机，包括内壳体和外壳体，所述内壳体位于外壳体的内部，所述内壳体的外表面设置有第一摩擦层，所述第一摩擦层背部的电极上连接有第一导电元件；所述外壳体的内表面设置有第二摩擦层，所述第二摩擦层背部的电极上连接有第二导电元件；在外力作用下，所述内壳体和外壳体发生位移使得第一摩擦层和第二摩擦层以接触-分离的方式进行摩擦，从而使得第一导电元件和第二导电元件输出电信号，所述外壳体上设置有进气阀门和出气阀门，所述进气阀门与气体罐连接，开始充气体时将进气阀门和出气阀门均打开使得气体罐内的气体能够进入外壳体与内壳体之间，在设定时间到达后关闭出气阀门，气体充气完毕后关闭进气阀门，并对外壳体进行密封处理，使得外壳体和内壳体之间形成密闭结构。

所述第一摩擦层包括分布在内壳体外表面前后左右四个位置的四个摩擦单元；所述第二摩擦层包括分布在外壳体内表面前后左右四个位置的四个摩擦单元。

所述第一摩擦层四个摩擦单元的背部电极通过铜条相连后与第一导电元件连接，所述第二摩擦层四个摩擦单元的背部电极通过铜条相连后与第二导电元件连接。

所述第一摩擦层与第二摩擦层存在摩擦电极序差异。

所述第一摩擦层和第二摩擦层以垂直接触-分离的方式进行摩擦。

所述第一摩擦层和第二摩擦层均为聚合物膜，所述聚合物膜为聚羟基丁酸-戊酯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺、或聚乙烯醇缩丁酯。

所述气体罐内的气体为无色无味无毒不易燃易爆的气体。

所述气体为氦气、氩气、氮气、二氧化碳、氟利昂、或六氟化硫。

所述内壳体内填充有重物。

有益效果

由于采用了上述的技术方案，本发明与现有技术相比，具有以下的优点和积极效果：本发明制作简单，材料常规易得，嵌套结构降低了空间占比率，可作为便携式电子设备，方便携带；本发明对壳体内部充气体方便快捷，可探索除常规气体空气以外的不同气体对摩擦纳米发电机的影响；本发明将装置密封处理，封闭的装置可适用于水下活动，收集水波能，并可做传感器使用。本发明作为双电极结构，有较高的发电效率。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明在轴垂直方向上的横截面的典型图形示意图；

图3为本发明的原理剖面示意图；

附图标记说明

11—第一摩擦层第一单元；12—第一摩擦层第二单元；13—第一摩擦层第三单元；14—第一摩擦层第四单元；21—第二摩擦层第一单元；22—第二摩擦层第二单元；23—第二摩擦层第三单元；24—第二摩擦层第四单元；31—导线1；32—导线2；41—弹簧1；42—弹簧2，51—下阀门，52—上阀门，53—软管，54—气体罐阀门，55—气体罐。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

本发明的实施方式涉及一种气体介质增强型摩擦纳米发电机，如图1所示，包括内壳体和外壳体，所述内壳体位于外壳体的内部，内壳体和外壳体之间设置有第一弹簧41和第二弹簧42，两根弹簧的弹性系数足够大可以使内壳体和外壳体较易接触与分离。所述内壳体的外表面设置有第一摩擦层，所述第一摩擦层包括分布在内壳体外表面前后左右四个位置的四个摩擦单元11、12、13和14，所述第一摩擦层四个摩擦单元的背部电极通过铜条相连后与第一导电元件连接，所述第一导电元件为第一导线31；所述外壳体的内表面设置有第二摩擦层，所述第二摩擦层包括分布在外壳体内表面前后左右四个位置的四个摩擦单元21、22、23和24，所述第二摩擦层四个摩擦单元的背部电极通过铜条相连后与第二导电元件连接，所述第二导电元件为第二导线32；所述第一摩擦层与第二摩擦层存在摩擦电极序差异，外力作用下，所述内壳体和外壳体发生位移使得第一摩擦层和第二摩擦层以接触-分离的方式进行摩擦，从而使得第一导电元件和第二导电元件输出电信号。

图1中，该摩擦纳米发电机的外壳体的尺寸与内壳体的尺寸分别为50*50*50mm和30*30*30mm，组装成两个方体结构，内壳体填充重物使之有一定重量，内壳体底部与外壳体底部用弹性系数较大的弹簧固定。外壳体的上表面中心位置和下表面中心位置安装两个阀门，分别为上阀门52和下阀门51，两个阀门用于替换外壳体和内壳体之间的气体，在替换气体时，上阀门52连接气体罐55的软管53，开始充气体时将上阀门52和下阀门51均打开，以排除之前气体介质，1～2min后关闭下阀门51，充气体1～2min后关闭上阀门52和气体罐阀门54，充气完毕将外壳体密封处理，使得内壳体和外壳体之间形成封闭结构。

本实施方式中的第一摩擦层材料为pvdf聚合物膜，第二摩擦层材料为phbv聚合物膜，均以铝箔作为负载，铝箔充当背部电极，气体罐内的气体可以是空气、氦气(he)、氩气(ar)、氮气(n2)、二氧化碳(co2)、氟利昂(chf2cl)、六氟化硫(sf6)中的任意一种。以内壳体四个面的前膜作为摩擦第一单元，逆时针旋转，依次标记为第二单元，第三单元，第四单元(外壳体标记，同内壳体)，将第一摩擦层材料与第二摩擦层材料的背部电极处引出两条导线用做输出电信号。图2所示为在轴垂直方向上的横截面的典型图形示意图，可清楚知第一摩擦层与第二摩擦层组装成嵌套结构。

本发明的摩擦纳米发电机工作原理详见图3。为了方便说明，此处以正视图所示的摩擦纳米发电机剖面示意图为例，第一摩擦层第二单元12与第二摩擦层第二单元22和第一摩擦单元14与第二摩擦单元24以垂直接触-分离模式为例，当无外力作用时，如图3(a)所示，四个面均无感应电荷产生；当受到向左的力f时，如图3(b)所示，14与24相接触，由于摩擦电极序差异，14感应出负电荷，24感应出正电荷；当受到向右的力f时如图3(c)所示，12感应出负电荷，24感应出正电荷，由于接触面积的变化，可输出电信号。11与21，13与23，同理，当受到前后的力发生振动时，由于接触面积的变化，输出电信号。

本发明提供的摩擦纳米发电机，利用两摩擦材料摩擦电极序差异，以垂直接触分离模式产生电信号，结构为嵌套式，提高了空间利用率，可为便携式设备或时时利用振动能充电，作为密封结构，可以替换壳体内不同气体介质，探索可使摩擦纳米发电机信号增强的气体介质，并还可用于水下活动，扩大了应用范围。