一种实现摩擦纳米发电机低摩擦高发电的方法与流程

本发明涉及摩擦纳米发电机技术领域，尤其涉及一种实现摩擦纳米发电机低摩擦高发电的方法。

背景技术：

能源问题一直是人类社会关注的热点问题之一，随着化石能源不断消耗，开发绿色的新能源变得越发紧迫。自摩擦纳米发电机被首次报道以来，因其制造成本低、结构简单、灵活性高、应用范围广等优点获得快速的发展。利用摩擦起电和电荷感应的耦合作用，摩擦纳米发电机可以收集环境中废弃或者忽视的低频机械能将其转化成电能，实现了能量供给微型性、持久性和实时性的目标，以满足人们日常生产生活的需求，有效解决了二次电池带来环境污染和反复更换所带来的诸多问题。

摩擦纳米发电机的摩擦副之间存在较大的摩擦力会影响聚合物薄膜的能量转换效率；另一方面，摩擦力的存在还会影响聚合物薄膜的使用寿命。如果能够从摩擦学的角度出发,在降低摩擦纳米发电机摩擦副之间的摩擦(摩擦系数)的前提下进一步实现薄膜的高效率发电，对于满足自驱动式传感器和可穿戴式设备的能源供应，具有非常重要的应用价值和实际意义。

技术实现要素：

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种实现摩擦纳米发电机低摩擦高发电的方法，旨在解决摩擦副之间存在较大的摩擦力，导致能量转化效率低、使用寿命短的问题。

本发明的技术方案如下：

本发明提供一种实现摩擦纳米发电机低摩擦高发电的方法，其中，包括以下步骤：

s10、以聚合物薄膜作为上摩擦副材料，对所述聚合物薄膜的表面进行多次同方向打磨；

s20、将磨合剂分散液添加到下摩擦副材料表面，或者使用等离子体对上摩擦副材料进行照射，实现摩擦纳米发电机低摩擦高发电。

以图1所示结构的摩擦纳米发电机为例对本发明进行说明。如图1所示，摩擦纳米发电机由上摩擦副1、下摩擦副2和外部电路3构成，上摩擦副1包括：上摩擦副材料6、形成于上摩擦副材料6上表面的上电极5、形成于上电极5上表面的第一载玻片4；下摩擦副2包括：第二载玻片9、形成于第二载玻片9上表面的下电极8、形成于下电极8上表面的下摩擦副材料7；外部电路3连接上电极5和下电极8。

本发明中，以聚合物薄膜作为上摩擦副材料，通过砂纸打磨等表面物理改性方法打磨聚合物薄膜的表面，在下摩擦副材料表面添加磨合剂分散液或者使用等离子体照射上摩擦副材料的方法，使得聚合物薄膜的摩擦系数显著降低，输出电流和电压显著提高。因此，本发明实现了摩擦纳米发电机在低摩擦系数前提下高效率发电的目的。

步骤s10中，对所述聚合物薄膜的表面进行多次同方向打磨，以实现降低聚合物薄膜的摩擦系数的目的。其中打磨的方法可以为砂纸打磨、研磨、抛光、刻划等中的一种或几种，但不限于此。需说明的是，所述聚合物薄膜的表面，指的是与下摩擦副材料正对的表面。

在一种实施例中，利用砂纸对所述聚合物薄膜的表面进行多次同方向打磨。且可以通过使用不同号数的砂纸打磨不同粗糙度的聚合物薄膜。

在一种实施例中，打磨后的聚合物薄膜的表面粗糙度为0-5μm。

在一种实施例中，聚合物可以为苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、羊毛及其编织物、蚕丝及其织物、纸、纤维素、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯(ptfe)等中的一种，但不限于此。

步骤s20中，将磨合剂分散液添加到下摩擦副材料表面(相当于摩擦副界面)，以实现摩擦副之间的摩擦系数进一步降低的目的。

在一种实施例中，所述磨合剂可以为石墨烯纳米片、二硫化钼粉剂、二硫化钨粉剂、二硫化钼p型、石墨烯、胶体石墨粉、石墨和富勒烯等中的一种或几种，但不限于此。

在一种实施例中，所述磨合剂分散液的浓度在50-200mg/l之间。所述磨合剂分散液通过以下方法配制得到：将磨合剂(如石墨烯)分散于溶剂中，并超声波搅拌均匀；其中超声波搅拌时间在5-60min之间，搅拌温度为20-50℃，环境湿度在20％-70％rh的条件下。

在一种实施例中，所述下摩擦副材料的表面粗糙度为0-5μm。

在一种实施例中，所述下摩擦副材料可以为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、硒、及上述金属形成的合金、铟锡氧化物、聚吡咯、聚苯硫醚、聚酞菁类化合物、聚苯胺和聚噻吩等中的一种，但不限于此。

步骤s20中，使用等离子体对上摩擦副材料进行照射，可实现摩擦纳米发电机的输出电流、电压显著提高的目的。

在一种实施例中，所述等离子体照射的功率为0-500w，照射时间为0-60min，气体流量为50-300m³/h。

在一种实施例中，所述等离子体照射的气体可以为氢气、氧气、氮气、氩气、氟化氢、三氟化硼、二氟甲烷、一氧化碳、二氯甲烷、硅烷、氨气、臭氧、甲烷、二氧化碳等中的一种或几种，但不限于此。

附图说明

图1为本发明提供的一种摩擦纳米发电机的结构示意图。

图2a-2c为本发明实施例不同粗糙度ptfe薄膜的三维表面形貌图。其中，图2a为实施例1中表面粗糙度ra＝0.2μm的ptfe薄膜的三维表面形貌图；图2b为实施例2中表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜的三维表面形貌图；图2c为实施例3中表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜的三维表面形貌图。

图3a-3c为本发明实施例不同粗糙度ptfe薄膜的摩擦系数曲线。其中，图3a为实施例1中表面粗糙度ra＝0.2μm的ptfe薄膜的摩擦系数曲线；图3b为实施例2中表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜的摩擦系数曲线；图3c为实施例3中表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜的摩擦系数曲线。

图4a-4c为本发明实施例不同粗糙度ptfe薄膜的电流曲线。其中，图4a为实施例1中表面粗糙度ra＝0.2μm的ptfe薄膜的电流曲线；图4b为实施例2中表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜的电流曲线；图4c为实施例3中表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜的电流曲线。

图5a-5c为本发明实施例不同粗糙度ptfe薄膜的电压曲线。其中，图5a为实施例1中表面粗糙度ra＝0.2μm的ptfe薄膜的电压曲线；图5b为实施例2中表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜的电压曲线；图5c为实施例3中表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜的电压曲线。

图6a-6c为本发明实施例表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜在摩擦界面添加石墨烯后的摩擦发电性能曲线。其中，图6a为实施例4中表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜在摩擦界面添加石墨烯后的摩擦系数曲线；图6b为实施例4中表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜在摩擦界面添加石墨烯后的电流曲线；图6c为实施例4中表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜在摩擦界面添加石墨烯后的电压曲线。

图7为本发明实施例4在铜片表面滴加石墨烯分散液与ptfe薄膜往复摩擦后的光学照片。

图8为本发明实施例中所使用的ptfe薄膜、石墨烯纳米片及铜基片的拉曼光谱曲线。

图9a-9c为本发明实施例表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜经过氧等离子体照射后的摩擦发电性能曲线。其中，图9a为实施例5中表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜经过氧等离子体照射后的摩擦系数曲线；图9b为实施例5中表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜经过氧等离子体照射后的电流曲线；图9c为实施例5中表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜经过氧等离子体照射后的电压曲线。

具体实施方式

本发明提供一种实现摩擦纳米发电机低摩擦高发电的方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明一种实现摩擦纳米发电机低摩擦高发电的方法，具体过程为：

1)利用砂纸对ptfe薄膜进行多次同方向打磨。首先，将不同型号砂纸裁剪至70×60mm²，将需要打磨的ptfe薄膜裁剪至约50×40mm²，使用砂纸在ptfe薄膜的长边一侧的表面开始由下到上缓慢移动，手掌轻微发力向下按压，同时用另一只手压住ptfe薄膜短边的两侧，防止ptfe薄膜横向移动，重复数次。然后，使用表面粗糙度测试仪(三丰sj210)对打磨完成的ptfe薄膜表面进行粗糙度测量，为了保证试样的统一，需要保证表面粗糙度偏差为±0.1μm，得到表面粗糙度ra＝0-5μm的ptfe薄膜后将其粘贴在铜电极表面。

2)将石墨烯纳米片制备成分散液添加到上下摩擦副界面。首先，将石墨烯纳米片倒入烧杯中，将无水乙醇溶液倒入烧杯中，石墨烯浓度范围为50-200mg/l，用超声波清洗机搅拌均匀。使用滴管将石墨烯分散液滴到下摩擦副的表面9个不同的区域，直至石墨烯分散液覆盖下摩擦副材料表面，静置5-30min后等无水乙醇风干。

或者，使用氧等离子体对打磨前后的ptfe薄膜表面进行照射。打开氧气瓶使机械泵开始抽真空，调节照射功率为0-500w，照射时间为0-60min，气体流量为50-300m³/h。对打磨前后的ptfe薄膜进行表面照射，待照射完成后自动弹出真空腔，取出样品。

最后，利用一种往复式摩擦系数与电输出性能同步测试装置(详见申请号为201710992887.0的专利)，测量上下摩擦副(上摩擦副材料为ptfe薄膜，下摩擦副材料为铜片)水平滑动时的摩擦发电性能。其中摩擦系数测量系统由应变放大器(kyowadpm-951a)、电桥盒(kyowadb-120a)和水平放置的应变片(kyowakfg-5-120-c1-16)组成，用于测量上下摩擦副之间的摩擦系数；电输出测量系统由电流放大器(stanfordsr570)和静电计(keithley6517b)组成，用于测量上下摩擦副水平滑动时的短路电流和开路电压，测量ptfe薄膜与铜片相对滑动时的摩擦系数、电流和电压。

下面通过具体的实施例对本发明作进一步地说明。

实施例1

首先，将不同型号砂纸裁剪至70×60mm²，将需要打磨的ptfe薄膜裁剪至约50×40mm²，使用砂纸在ptfe薄膜的长边一侧的表面开始由下到上缓慢移动，手掌轻微发力向下按压，同时用另一只手压住ptfe薄膜短边的两侧，防止ptfe薄膜横向移动，重复数次。

然后，使用表面粗糙度测试仪(三丰sj210)对打磨完成的ptfe薄膜表面进行粗糙度测量，为了保证试样的统一，需要保证表面粗糙度偏差为±0.1μm，得到表面粗糙度ra＝0.2μm的ptfe薄膜后将其粘贴在铜电极表面。

最后，利用一种往复式摩擦发电输出性能与摩擦系数同步测试装置，测量上下摩擦副之间(上摩擦副材料为ptfe薄膜，下摩擦副材料为铜片)的摩擦发电性能。其中摩擦系数测量系统由应变放大器(kyowadpm-951a)、电桥盒(kyowadb-120a)和水平放置的应变片(kyowakfg-5-120-c1-16)组成，用于测量上下摩擦副间的摩擦系数；电输出测量系统由电流放大器(stanfordsr570)和静电计(keithley6517b)组成，用于测量上下摩擦副水平滑动时的短路电流和开路电压，得到ptfe薄膜与铜片相对摩擦时的摩擦系数为0.14，电流为40.02na，电压为3.08v。

实施例2

首先，将不同型号砂纸裁剪至70×60mm²，将需要打磨的ptfe薄膜裁剪至约50×40mm²，使用砂纸在ptfe薄膜的长边一侧的表面开始由下到上缓慢移动，手掌轻微发力向下按压，同时用另一只手压住ptfe薄膜短边的两侧，防止ptfe薄膜横向移动，重复数次。

然后，使用表面粗糙度测试仪(三丰sj210)对打磨完成的ptfe薄膜表面进行粗糙度测量，为了保证试样的统一，需要保证表面粗糙度偏差为±0.1μm，得到表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜后将其粘贴在铜电极表面。

最后，利用一种往复式摩擦系数与电输出性能同步测试装置，测量上下摩擦副间(上摩擦副材料为ptfe薄膜，下摩擦副材料为铜片)的摩擦发电性能。其中摩擦系数测量系统由应变放大器(kyowadpm-951a)、电桥盒(kyowadb-120a)和水平放置的应变片(kyowakfg-5-120-c1-16)组成，用于测量上下摩擦副之间的摩擦系数；电输出测量系统由电流放大器(stanfordsr570)和静电计(keithley6517b)组成，用于测量上下摩擦副水平滑动时的短路电流和开路电压，得到ptfe薄膜与铜片相对摩擦时的摩擦系数为0.072，电流为30.03na，电压为4.31v。

实施例3

首先，将不同型号砂纸裁剪至70×60mm²，将需要打磨的ptfe薄膜裁剪至约50×40mm²，使用砂纸在ptfe薄膜的长边一侧的表面开始由下到上缓慢移动，手掌轻微发力向下按压，同时用另一只手压住ptfe薄膜短边的两侧，防止ptfe薄膜横向移动，重复数次。

然后，使用表面粗糙度测试仪(三丰sj210)对打磨完成的ptfe薄膜表面进行粗糙度测量，为了保证试样的统一，需要保证表面粗糙度偏差为±0.1μm，得到表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜后将其粘贴在铜电极表面。

最后，利用一种往复式摩擦系数与电输出性能同步测试装置，测量上下摩擦副之间(上摩擦副材料为ptfe薄膜，下摩擦副材料为铜片)的摩擦发电性能。其中摩擦系数测量系统由应变放大器(kyowadpm-951a)、电桥盒(kyowadb-120a)和水平放置的应变片(kyowakfg-5-120-c1-16)组成，用于测量上下摩擦副间的摩擦系数；电输出测量系统由电流放大器(stanfordsr570)和静电计(keithley6517b)组成，用于测量上下摩擦副水平滑动时的短路电流和开路电压，得到ptfe薄膜与铜片相对摩擦时的摩擦系数为0.04，电流为18na，电压为3.77v。

实施例4

首先，将不同型号砂纸裁剪至70×60mm²，将需要打磨的ptfe薄膜裁剪至约50×40mm²，使用砂纸在ptfe薄膜的长边一侧的表面开始由下到上缓慢移动，手掌轻微发力向下按压，同时用另一只手压住ptfe薄膜短边的两侧，防止ptfe薄膜横向移动，重复数次。

然后，使用表面粗糙度测试仪(三丰sj210)对打磨完成的ptfe薄膜表面进行粗糙度测量，为了保证试样的统一，需要保证表面粗糙度偏差为±0.1μm，得到表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜后将其粘贴在铜电极表面。

将石墨烯纳米片制备成分散液添加到上下摩擦副界面。首先，将石墨烯纳米片倒入烧杯中，将无水乙醇溶液倒入烧杯中，石墨烯浓度为100mg/l，用超声波清洗机搅拌均匀。使用滴管将石墨烯分散液滴到下摩擦副的表面9个不同的区域，直至石墨烯分散液覆盖下摩擦副表面，静置20min后等无水乙醇风干。

最后，利用一种往复式摩擦系数与电输出性能同步测试装置，测量上下摩擦副间(上摩擦副材料为ptfe薄膜，下摩擦副材料为铜片)的摩擦发电性能。其中摩擦系数测量系统由应变放大器(kyowadpm-951a)、电桥盒(kyowadb-120a)和水平放置的应变片(kyowakfg-5-120-c1-16)组成，用于测量上下摩擦副之间的摩擦系数；电输出测量系统由电流放大器(stanfordsr570)和静电计(keithley6517b)组成，用于测量上下摩擦副水平滑动时的短路电流和开路电压，得到ptfe薄膜与铜片相对摩擦时的摩擦系数为0.031，电流为11.99na，电压为2.6v。

实施例5

首先，将不同型号砂纸裁剪至70×60mm²，将需要打磨的ptfe薄膜裁剪至约50×40mm²，使用砂纸在ptfe薄膜的长边一侧的表面开始由下到上缓慢移动，手掌轻微发力向下按压，同时用另一只手压住ptfe薄膜短边的两侧，防止ptfe薄膜横向移动，重复数次。

然后，使用表面粗糙度测试仪(三丰sj210)对打磨完成的ptfe薄膜表面进行粗糙度测量，为了保证试样的统一，需要保证表面粗糙度偏差为±0.1μm，得到表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜后将其粘贴在铜电极表面。

使用氧等离子体对打磨后的ptfe薄膜表面进行照射。打开氧气瓶使机械泵开始抽真空，调节照射功率200w，气压1.6pa，流量150m³/h，对打磨后表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜进行表面照射，待照射完成后自动弹出真空腔取出样品。由于表面照射具有时效性，为了使实验结果更接近真实情况，将全部摩擦发电性能评价实验的时长缩短为180s。

最后，利用一种往复式摩擦系数与电输出性能同步测试装置，测量上下摩擦副间(上摩擦副材料为ptfe薄膜，下摩擦副材料为铜片)的摩擦发电性能。其中摩擦系数测量系统由应变放大器(kyowadpm-951a)、电桥盒(kyowadb-120a)和水平放置的应变片(kyowakfg-5-120-c1-16)组成，用于测量上下摩擦副间的摩擦系数；电输出测量系统由电流放大器(stanfordsr570)和静电计(keithley6517b)组成，用于测量上下摩擦副水平滑动时的短路电流和开路电压，得到ptfe薄膜与铜片相对摩擦时的摩擦系数为0.1，电流为101.75na，电压为14.01v。

测试结果：

图2a-2c为本发明实施例不同粗糙度ptfe薄膜的三维表面形貌图。其中，图2a为实施例1中表面粗糙度ra＝0.2μm的ptfe薄膜的三维表面形貌图；图2b为实施例2中表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜的三维表面形貌图；图2c为实施例3中表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜的三维表面形貌图。

图3a-3c为本发明实施例不同粗糙度ptfe薄膜的摩擦系数曲线。其中，图3a为实施例1中表面粗糙度ra＝0.2μm的ptfe薄膜的摩擦系数曲线；图3b为实施例2中表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜的摩擦系数曲线；图3c为实施例3中表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜的摩擦系数曲线。

图4a-4c为本发明实施例不同粗糙度ptfe薄膜的电流曲线。其中，图4a为实施例1中表面粗糙度ra＝0.2μm的ptfe薄膜的电流曲线；图4b为实施例2中表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜的电流曲线；图4c为实施例3中表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜的电流曲线。

图5a-5c为本发明实施例不同粗糙度ptfe薄膜的电压曲线。其中，图5a为实施例1中表面粗糙度ra＝0.2μm的ptfe薄膜的电压曲线；图5b为实施例2中表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜的电压曲线；图5c为实施例3中表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜的电压曲线。

图6a-6c为本发明实施例表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜在摩擦界面添加石墨烯后的摩擦发电性能曲线。其中，图6a为实施例4中表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜在摩擦界面添加石墨烯后的摩擦系数曲线；图6b为实施例4中表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜在摩擦界面添加石墨烯后的电流曲线；图6c为实施例4中表面粗糙度ra＝2.1μm的ptfe薄膜在摩擦界面添加石墨烯后的电压曲线。

图7为本发明实施例4在铜片表面滴加石墨烯分散液与ptfe薄膜往复摩擦后的光学照片。

图8为本发明实施例中所使用的ptfe薄膜、石墨烯纳米片及铜基片的拉曼光谱曲线。

图9a-9c为本发明实施例表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜经过氧等离子体照射后的摩擦发电性能曲线。其中，图9a为实施例5中表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜经过氧等离子体照射后的摩擦系数曲线；图9b为实施例5中表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜经过氧等离子体照射后的电流曲线；图9c为实施例5中表面粗糙度ra＝0.5μm的ptfe薄膜经过氧等离子体照射后的电压曲线。

综上所述，本发明提供一种实现摩擦纳米发电机低摩擦高发电的方法。本发明中，以聚合物薄膜作为上摩擦副材料，通过砂纸打磨等表面物理改性方法打磨聚合物薄膜的表面，在下摩擦副材料表面添加磨合剂分散液或者使用等离子体照射上摩擦副材料的方法，使得聚合物薄膜的摩擦系数显著降低，输出电流和电压显著提高。因此，本发明实现了摩擦纳米发电机在低摩擦系数前提下高效率发电的目的。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。