一种蜂窝结构的三电极耦合型三摩擦纳米发电机

1.本发明涉及纳米发电机领域。


背景技术：

2.随着物联网技术的迅速发展，各种小型智能器件已经广泛地应用在航空航天、汽车制造、生物医疗等各个领域当中。然而如何对这些智能器件进行有效、持久的能源供应成为了首要难题。加之现今社会愈发严重的能源危机，寻找一种新的供能方式显得尤为迫切。纳米发电机可以有效收集人们生活中的机械能并将其转换为电能，且通过对其材料选择、结构设计等，纳米发电机可以展现出柔性、大变形、轻质等诸多优异性能。此外，相比于风力、水力发电，纳米发电机没有特定的环境要求，有望将发电“常态化”，革新人们的生活方式。但是目前纳米发电机输出电压幅值较低，收集机械能维度有限，限制了纳米发电机的应用与发展。


技术实现要素：

3.本发明要解决现有纳米发电机输出电压幅值较低，收集机械能维度有限的技术问题，而提供一种蜂窝结构的三电极耦合型三摩擦纳米发电机。
4.一种蜂窝结构的三电极耦合型三摩擦纳米发电机，该发电机包括侧壁、顶面、底面和填充球，其中侧壁构成正六棱柱结构，且在内侧棱角处设置倒角，顶面和底面均为六边形，侧壁内侧均匀粘贴第一摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层，顶面内侧粘贴第一摩擦层，底面内侧粘贴第二摩擦层，填充球填充在正六棱柱结构中，填充球的半径与倒角半径相同。
5.由于该纳米发电机的整体结构为正六棱柱结构，因此形成了蜂窝结构的三电极耦合型三摩擦纳米发电机。
6.顶面内侧粘贴的第一摩擦层与侧壁内侧粘贴的第一摩擦层相接触，底面内侧粘贴的第二摩擦层与侧壁内侧粘贴的第二摩擦层相接触。
7.所述侧壁、顶面和底面采用3d打印技术得到。
8.进一步的，所述第一摩擦层、第二摩擦层、第三摩擦层和填充球的材质选择范围为聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺、羊毛、蚕丝、铝箔、纸张、棉花、钢铁、木材、硬橡胶、镍、铜、银、醋酸纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚氨酯、聚对苯二甲酸二乙醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或聚四氟乙烯，且第一摩擦层、第二摩擦层、第三摩擦层和填充球的材质互不相同。
9.进一步的，当第一摩擦层、第二摩擦层或第三摩擦层的材质为绝缘材料时，需要进行喷银处理或者粘贴导电胶带，并用导线引出。
10.进一步的，所述侧壁内侧粘贴的第一摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层相互之间有间隔。
11.进一步的，所述填充球的填充量为正六棱柱结构体积的20～50％。
12.第一摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层分别引出导线，以“单电极”方式分别与三
个整流桥连接，其中每个摩擦层的电极接入整流桥的一个输入端，整流桥的另一个输入端接地。
13.所述纳米发电机通过三个整流桥得到的三对正负极以串联形式接入外电路。
14.所述正六棱柱结构的顶面、底面及侧壁均覆盖摩擦层，可收集全空间内机械能。
15.所述纳米发电机的电极连接方式是：将蜂窝结构(正六棱柱结构)的顶面、底面及侧壁均覆盖摩擦层。其中顶面和底面的摩擦层也分别与侧壁对应的两个摩擦层相连接。侧壁的三个摩擦层采用的材料互不相同，三种材料得失电子能力不同。若选用的摩擦层材料为绝缘材料，则需要粘贴导电胶带或者喷银处理，并外接一根导线引出。内部填充球的材料与三个摩擦层也不同。填充球选择获得电子能力强的材料，三个摩擦层选取失去电子能力强的材料。
16.本发明纳米发电机在受到外力作用时，内部填充球与三个摩擦层分别进行周期性的接触分离，由于接触起电效应，填充球外表面将覆盖一层负电荷，三个摩擦层表面将覆盖一层等量正电荷，三个摩擦层表面产生的负电荷由各自连接的导线导出，形成电流。摩擦层引出的单根导线分别与地线作为三对电信号输入端连接三个整流桥，之后将整流桥流出的三对正负极按照串联方式接入外电路，输出直流电。
17.本发明的有益效果是：
18.一：本发明结构轻质、坚固、抗破坏能力强，耐久度高。
19.二：本发明采用三种不同的摩擦层材料，相比于单一种类摩擦层输出电压更高。
20.三：本发明纳米发电机形成三组电极，并分别以单电极方式与整流桥连接，且经过整流桥后的三对正负极以串联形式接入电路，可有效整合三部分的输出电压，相比于双电极输出电信号更强。
21.四：本发明可以在全空间内采集径向/轴向振动与周向滚动的机械能，能量利用率和转化率更高。
22.根据受力情况不同，本发明可以有效收集径向/轴向振动与周向滚动等全空间内机械能，且侧壁设置的倒角有助于周向滚动机械能的吸收与转换。本发明制备的纳米发电机输出电压幅值高、耐久性好。
23.经测试，本发明所述的蜂窝结构的三电极耦合型三摩擦纳米发电机在作用力为10n条件下，径向收集电压约为260v，周向收集电压约为40v，可以点亮～40盏led灯泡。
24.本发明蜂窝结构的三电极耦合型三摩擦纳米发电机用于航空航天、汽车制造及生物医疗领域。
附图说明
25.图1为具体实施方式一所述一种蜂窝结构的三电极耦合型三摩擦纳米发电机的结构示意图；
26.图2为具体实施方式一所述一种蜂窝结构的三电极耦合型三摩擦纳米发电机的侧壁结构示意图；
27.图3为具体实施方式一所述一种蜂窝结构的三电极耦合型三摩擦纳米发电机的顶面/底面结构示意图；
28.图4为实施例一所述的一种蜂窝结构的三电极耦合型三摩擦纳米发电机进行电极
连接得电极连接示意图；
29.图5为实施例一所述的一种蜂窝结构的三电极耦合型三摩擦纳米发电机轴向激励输出电压测试图。
具体实施方式
30.本发明技术方案不局限于以下所列举的具体实施方式，还包括各具体实施方式之间的任意组合。
31.具体实施方式一：本实施方式一种蜂窝结构的三电极耦合型三摩擦纳米发电机，其特征在于该发电机包括侧壁1、顶面2、底面3和填充球，其中侧壁1构成正六棱柱结构，且在内侧棱角处设置倒角，顶面2和底面3均为六边形，侧壁1内侧均匀粘贴第一摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层，顶面2内侧粘贴第一摩擦层，底面3内侧粘贴第二摩擦层，填充球填充在正六棱柱结构中，填充球的半径与倒角半径相同。
32.具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述侧壁1、顶面2和底面3采用3d打印技术得到，材质均为聚乳酸。其它与具体实施方式一相同。
33.具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式一或二不同的是：所述侧壁1厚度为0.1～0.3cm、高度为1.0～5.0cm，侧壁1构成正六棱柱结构的边长为0.5～2.0cm、倒角半径为0.1～0.4cm。其它与具体实施方式一或二相同。
34.具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式一至三之一不同的是：所述顶面2的厚度为0.1～0.3cm，底面3的厚度为0.1～0.3cm，顶面2装配在正六棱柱结构的顶端，底面3装配在正六棱柱结构的底端。其它与具体实施方式一至三之一相同。
35.具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式一至四之一不同的是：所述第一摩擦层、第二摩擦层、第三摩擦层和填充球的材质选择范围为聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺、三聚氰胺、羊毛、蚕丝、铝箔、纸张、棉花、钢铁、木材、硬橡胶、镍、铜、银、醋酸纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚氨酯、聚对苯二甲酸二乙醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或聚四氟乙烯，且第一摩擦层、第二摩擦层、第三摩擦层和填充球的材质互不相同。其它与具体实施方式一至四之一相同。
36.具体实施方式六：本实施方式与具体实施方式一至五之一不同的是：当第一摩擦层、第二摩擦层或第三摩擦层的材质为绝缘材料时，需要进行喷银处理或者粘贴导电胶带，并用导线引出。其它与具体实施方式一至五之一相同。
37.具体实施方式七：本实施方式与具体实施方式一至六之一不同的是：所述侧壁1内侧粘贴的第一摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层相互之间有间隔。其它与具体实施方式一至六之一相同。
38.具体实施方式八：本实施方式与具体实施方式一至七之一不同的是：所述填充球的填充量为正六棱柱结构体积的20～50％。其它与具体实施方式一至七之一相同。
39.具体实施方式九：本实施方式与具体实施方式一至八之一不同的是：第一摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层分别引出导线，以“单电极”方式分别与三个整流桥连接，其中每个摩擦层的电极接入整流桥的一个输入端，整流桥的另一个输入端接地。其它与具体实施方式一至八之一相同。
40.具体实施方式十：本实施方式与具体实施方式一至九之一不同的是：所述纳米发
电机通过三个整流桥得到的三对正负极以串联形式接入外电路。其它与具体实施方式一至九之一相同。
41.采用以下实施例验证本发明的有益效果：
42.实施例一：
43.本实施例一种蜂窝结构的三电极耦合型三摩擦纳米发电机，该发电机包括侧壁1、顶面2、底面3和填充球，其中侧壁1构成正六棱柱结构，且在内侧棱角处设置倒角，顶面2和底面3均为六边形，侧壁1内侧均匀粘贴第一摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层，顶面2内侧粘贴第一摩擦层，底面3内侧粘贴第二摩擦层，填充球填充在正六棱柱结构中，填充球的半径与倒角半径相同。
44.顶面2内侧粘贴的第一摩擦层与侧壁1内侧粘贴的第一摩擦层相接触，底面3内侧粘贴的第二摩擦层与侧壁3内侧粘贴的第二摩擦层相接触。
45.所述侧壁1、顶面2和底面3采用3d打印技术得到，材质为聚乳酸。
46.所述侧壁1厚度为0.1cm、高度为2.5cm，侧壁1构成正六棱柱结构的边长为2.0cm、倒角半径为0.4cm。
47.所述顶面2的厚度为0.1cm，底面3的厚度为0.1cm，顶面2装配在正六棱柱结构的顶端，底面3装配在正六棱柱结构的底端。
48.所述第一摩擦层的材质为铜箔、第二摩擦层的材质为铝箔、第三摩擦层的材质为纸张、填充球的材质为聚四氟乙烯。将材质为纸张的第三摩擦层进行喷银漆处理。
49.所述填充球直径为0.4cm，填充数量为19个。
50.所述侧壁1内侧粘贴的第一摩擦层、第二摩擦层和第三摩擦层相互之间有间隔。
51.将本实施例所述的一种蜂窝结构的三电极耦合型三摩擦纳米发电机进行电极连接，电极连接示意图如图4所示。电极连接为三个摩擦层引出的电极导线分别与三个整流桥以“单电极”方式连接：每个摩擦层的电极接入整流桥的一个输入端，整流桥的另一个输入端接地，将本身交流电整流为直流电。通过三个整流桥得到的三对直流正负极，并以串联的方式接入电路给用电器供电。
52.图5为实施例一所述的一种蜂窝结构的三电极耦合型三摩擦纳米发电机轴向激励输出电压测试图。
53.本实施例所述的蜂窝结构的三电极耦合型三摩擦纳米发电机在作用力为10n条件下，径向收集电压约为260v，周向收集电压约为40v，可以点亮～40盏led灯泡。