电流体动力喷射3D打印摩擦纳米发电机及其制造方法

电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机及其制造方法
技术领域
1.本发明属于电流体动力喷射3d打印技术领域，具体涉及电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机，还涉及上述3d打印摩擦纳米发电机制造方法。


背景技术：

2.电流体动力喷射3d打印属于微纳尺度3d打印方法，也称作电喷印。该方法可打印多种功能性材料，包括导电材料、绝缘材料、高粘度材料和金属材料等，该技术适用于多种材料和复合物的打印成型。目前摩擦纳米发电机作为一种新兴能量收集装置，摩擦层表面微结构与整体结构设计对性能提高和实用化推广影响重大，然而，现有的摩擦纳米发电机输出性能依然亟待提升，其传统加工方式带来了低转化效率和低输出功率的缺点，限制其实际发展与应用。


技术实现要素：

3.本发明的一个目的是提供基于电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机，解决了现有技术中制造3d打印摩擦纳米发电机，转化效率和输出功率低的问题。
4.本发明的另一个目的是提供基于电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机的制造方法。
5.本发明所采用的一个技术方案是，电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机，包括上下平行放置的第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元与第二摩擦单元处于相对位置，第一摩擦单元包括第一电极层和正摩擦层，第二摩擦单元包括负摩擦层和第二电极层，第一电极层设置在正摩擦层的上表面，第二电极层设置在负摩擦层下表面，正摩擦层和负摩擦层之间设置摩擦层微结构，第一电极层和第二电极层均引出导线以输出电能。
6.本发明的特点还在于，
7.摩擦层微结构为相对摩擦面上的纳米凹凸微结构。
8.正摩擦层材料选用pa或pa/纳米材料中一种。
9.负摩擦层材料选用pdms、pvdf、ptfe、tpu、pdms/纳米材料、pvdf/纳米材料、ptfe/纳米材料、tpu/纳米材料中任意一种。
10.纳米材料选用graphene、c
60
、cnfs、cnt等碳纳米材料中一种，也可选纳米金、纳米银、纳米铜等金属纳米材料中一种。
11.第一电极层和第二电极层均为金箔、银箔、铝中一种。
12.本发明所采用的另一个技术方案是，电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机的制造方法，具体按照以下步骤实施：
13.步骤1，在solidworks软件中对摩擦纳米发电机正摩擦层2和负摩擦层3进行建模；
14.步骤2，将正负摩擦层材料和纳米材料制作成不同配比复合溶液，以供后续3d打印所用；
15.步骤3，将步骤1设计好的摩擦纳米发电机摩擦层模型导入至切片软件，设定好相
关参数并进行切片，将切片生成的g code导入到3d打印机；
16.步骤4，启动3d打印机，打印喷头和打印基板之间形成电场，同时，送料机构将打印材料送至电流体动力喷射装置的喷头，而后流至喷嘴处形成泰勒锥，进而喷射沉积并最终成型；
17.步骤5，第一层的负摩擦层打印结束之后，将喷嘴上移一个层厚的距离，以第一层负摩擦层为基底进行继续打印正摩擦层，循环操作直至完成所有预设层的打印；
18.步骤6，完成打印工作后，取下摩擦纳米发电机正负摩擦层，根据设定完成摩擦纳米发电机的装配。
19.本发明的特点还在于，
20.步骤2正摩擦层材料选用pa或pa/纳米材料中一种。
21.步骤2负摩擦层材料选用pdms、pvdf、ptfe、tpu、pdms/纳米材料、pvdf/纳米材料、ptfe/纳米材料、tpu/纳米材料中任意一种。
22.步骤2纳米材料选用graphene、c
60
、cnfs、cnt等碳纳米材料中一种，或选选纳米金、纳米银、纳米铜等金属纳米材料中一种。
23.本发明的有益效果是：本发明制备的电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机，通过分别将打印喷头和衬底连接至高压电源正极和负极，在喷头和衬底之间形成电场力，电场力驱动打印材料形成射流，平台按照预定路径运动形成摩擦纳米发电机摩擦层。本发明制备的电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机，利用电流体动力喷射3d打印方法制作摩擦纳米发电机摩擦层，显著提高摩擦纳米发电机输出性能，具有重要的实际应用价值。
附图说明
24.图1是本发明电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机的结构示意图；
25.图2是本发明实施例1中制作的垂直接触-分离式摩擦纳米发电机结构示意图；
26.图3为本发明实施例1中制作的水平滑动式摩擦纳米发电机结构示意图。
27.图4为实施例1中碳纳米管含量为cnt 0wt％，cnt 4wt％摩擦纳米发电机的短路电流isc图；
28.图5为碳实施例1中纳米管含量为cnt 0wt％，cnt 4wt％摩擦纳米发电机的开路电压voc图。
29.图中，1.第一电极层，2.正摩擦层，3.负摩擦层，4.第二电极层，5.摩擦层微结构。
具体实施方式
30.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
31.本发明电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机，结构如图1所示，包括上下平行放置的第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元与第二摩擦单元处于相对位置，第一摩擦单元包括第一电极层1和正摩擦层2，第二摩擦单元包括负摩擦层3和第二电极层4，第一电极层1设置在正摩擦层2的上表面，第二电极层4设置在负摩擦层3下表面，正摩擦层2和负摩擦层3之间设置摩擦层微结构5，第一电极层1和第二电极层4均引出导线以输出电能。
32.摩擦层微结构5为相对摩擦面上的纳米凹凸微结构。
33.正摩擦层2材料选用pa或pa/纳米材料中一种。
34.负摩擦层3材料选用pdms、pvdf、ptfe、tpu、pdms/纳米材料、pvdf/纳米材料、ptfe/纳米材料、tpu/纳米材料中任意一种。
35.纳米材料选用graphene、c
60
、cnfs、cnt等碳纳米材料中一种，也可选纳米金、纳米银、纳米铜等金属纳米材料中一种。
36.第一电极层1和第二电极层4均为金箔、银箔、铝中一种。
37.本发明电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机的制造方法，具体按照以下步骤实施：
38.步骤1，在solidworks软件中对摩擦纳米发电机正摩擦层2和负摩擦层3进行建模；
39.步骤2，将正负摩擦层材料和纳米材料制作成不同配比复合溶液，以供后续3d打印所用；正摩擦层2材料选用pa或pa/纳米材料中一种；负摩擦层3材料选用pdms、pvdf、ptfe、tpu、pdms/纳米材料、pvdf/纳米材料、ptfe/纳米材料、tpu/纳米材料中任意一种。
40.纳米材料选用graphene、c
60
、cnfs、cnt等碳纳米材料中一种，也可选纳米金、纳米银、纳米铜等金属纳米材料中一种。
41.步骤3，将步骤1设计好的摩擦纳米发电机摩擦层模型导入至切片软件，设定好相关参数并进行切片，将切片生成的g code导入到3d打印机；
42.步骤4，启动3d打印机，打印喷头和打印基板之间形成电场，同时，送料机构将打印材料送至电流体动力喷射装置的喷头，而后流至喷嘴处形成泰勒锥，进而喷射沉积并最终成型，
43.步骤5，第一层的负摩擦层3打印结束之后，将喷嘴上移一个层厚的距离，以第一层负摩擦层3为基底进行继续打印正摩擦层2，循环操作直至完成所有预设层的打印；
44.步骤6，完成打印工作后，取下摩擦纳米发电机正负摩擦层，根据设定完成摩擦纳米发电机的装配。
45.实施例1
46.本实施例电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机的制造方法，具体按照以下步骤实施：
47.步骤1，在solidworks软件中对摩擦纳米发电机正摩擦层2和负摩擦层3进行建模；
48.步骤2，将正负摩擦层材料中纳米材料制作成不同配比复合溶液，以供后续3d打印所用；负摩擦层材料为tpu/cnt、正摩擦层材料为pa/cnt；第一电极层1和第二电极层4均采用金属铝箔；负摩擦层3中选cnt0wt.％和cnt4wt.％作为输出对比实验。
49.步骤3，将步骤1设计好的摩擦纳米发电机摩擦层模型导入至切片软件，设定好相关参数并进行切片，将切片生成的gcode导入到3d打印机；
50.步骤4，启动3d打印机，打印喷头和打印基板之间形成电场，同时，送料机构将打印材料送至电流体动力喷射装置的喷头，而后流至喷嘴处形成泰勒锥，进而喷射沉积并最终成型；如图3所示；
51.步骤5，第一层的负摩擦层3打印结束之后，将喷嘴上移一个层厚的距离，以第一层负摩擦层3为基底进行继续打印正摩擦层2，如图2所示，循环操作直至完成所有预设层的打印；
52.步骤6，完成打印工作后，取下摩擦纳米发电机正负摩擦层，根据设定完成摩擦纳米发电机的装配，摩擦层应用至垂直接触-分离式摩擦纳米发电机摩擦层尺寸为40mm
×
40mm
×
0.2mm。
53.实施例2
54.本实施例电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机的制造方法，具体按照以下步骤实施：
55.步骤1，在solidworks软件中对摩擦纳米发电机正摩擦层2和负摩擦层3进行建模；
56.步骤2，将正负摩擦层材料中纳米材料制作成不同配比复合溶液，以供后续3d打印所用；负摩擦层材料为ptfe/cnt，正摩擦层材料为pa/cnt；第一电极层1和第二电极层4均采用金属铝箔；
57.步骤3，将步骤1设计好的摩擦纳米发电机摩擦层模型导入至切片软件，设定好相关参数并进行切片，将切片生成的g code导入到3d打印机；
58.步骤4，启动3d打印机，打印喷头和打印基板之间形成电场，同时，送料机构将打印材料送至电流体动力喷射装置的喷头，而后流至喷嘴处形成泰勒锥，进而喷射沉积并最终成型；
59.步骤5，第一层的负摩擦层3打印结束之后，将喷嘴上移一个层厚的距离，以第一层负摩擦层3为基底进行继续打印负摩擦层3，循环操作直至完成所有预设层的打印；
60.步骤6，完成打印工作后，取下摩擦纳米发电机正负摩擦层，根据设定完成摩擦纳米发电机的装配，制作的具有表面微结构的摩擦层应用至水平滑动式摩擦纳米发电机。
61.实施例3
62.本实施例电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机的制造方法，具体按照以下步骤实施：
63.步骤1，在solidworks软件中对摩擦纳米发电机正摩擦层2和负摩擦层3进行建模；
64.步骤2，将正负摩擦层材料和纳米材料制作成不同配比复合溶液，以供后续3d打印所用；负摩擦层材料为pvdf/cnt，正摩擦层材料为pa/cnt；第一电极层1和第二电极层4均采用金箔；
65.步骤3，将步骤1设计好的摩擦纳米发电机摩擦层模型导入至切片软件，设定好相关参数并进行切片，将切片生成的g code导入到3d打印机；
66.步骤4，启动3d打印机，打印喷头和打印基板之间形成电场，同时，送料机构将打印材料送至电流体动力喷射装置的喷头，而后流至喷嘴处形成泰勒锥，进而喷射沉积并最终成型；
67.步骤5，第一层的负摩擦层3打印结束之后，将喷嘴上移一个层厚的距离，以第一层负摩擦层3为基底进行继续打印正摩擦层2，循环操作直至完成所有预设层的打印；
68.步骤6，完成打印工作后，取下摩擦纳米发电机正负摩擦层，根据设定完成摩擦纳米发电机的装配。
69.实施例4
70.本实施例电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机的制造方法，具体按照以下步骤实施：
71.步骤1，在solidworks软件中对摩擦纳米发电机正摩擦层2和负摩擦层3进行建模；
72.步骤2，将正负摩擦层材料和纳米材料制作成不同配比复合溶液，以供后续3d打印所用；负摩擦层材料为pdms/cnt，正摩擦层材料为pa/cnt；第一电极层1和第二电极层4均采
用银箔；
73.步骤3，将步骤1设计好的摩擦纳米发电机摩擦层模型导入至切片软件，设定好相关参数并进行切片，将切片生成的g code导入到3d打印机；
74.步骤4，启动3d打印机，打印喷头和打印基板之间形成电场，同时，送料机构将打印材料送至电流体动力喷射装置的喷头，而后流至喷嘴处形成泰勒锥，进而喷射沉积并最终成型；
75.步骤5，第一层的负摩擦层3打印结束之后，将喷嘴上移一个层厚的距离，以第一层负摩擦层3为基底进行继续打印正摩擦层2，循环操作直至完成所有预设层的打印；
76.步骤6，完成打印工作后，取下摩擦纳米发电机正负摩擦层，根据设定完成摩擦纳米发电机的装配。
77.将实施例1制备的电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机进行实验，工作过程为：从两电极层处分别引出导线并连接测试仪器。当第一摩擦单元的正摩擦层2和第二摩擦单元的负摩擦层3接触时，由于摩擦起电和静电感应的耦合效应，正负摩擦层会带上等量异种电荷。当正负两摩擦层不停分离和接触时，两摩擦层之间便持续产生电势差，形成方向随时间改变的电流。
78.本实施例中摩擦纳米发电机设定频率为3～5hz，振幅为设定为100mm，采用激振器进行实验，最终测得电压和电流数据。如图4所示，电流体动力喷射3d打印方法制作的摩擦纳米发电机在cnt 0wt.％，cnt 4wt.％的短路电流图。如图5所示，电流体动力喷射3d打印方法制作的摩擦纳米发电机cnt 0wt.％，cnt 4wt.％开路电压图。具体参数如下表1和表2：
79.表1 摩擦纳米发电机短路电流输出数据表
[0080][0081]
表2 摩擦纳米发电机开路电压输出数据表
[0082][0083]
由表1、表2和图4、图5所示，随着cnt含量从cnt 0wt.％增加到cnt 4wt.％，摩擦纳米发电机的开路电压和短路电流显著上升，说明cnt对摩擦纳米发电机输出性能具有增强作用。本发明使用摩擦纳米发电机摩擦层新材料，并多方面提升摩擦纳米发电机输出性能。
[0084]
本发明电流体动力喷射3d打印摩擦纳米发电机的制造方法，制备原理是通过分别将打印喷头和衬底连接至高压电源正极和负极，在喷头和衬底之间形成电场力，该电场力
驱动打印材料形成射流，平台按照预定路径运动形成摩擦纳米发电机的正摩擦层2和负摩擦层3，分别在正摩擦层2和负摩擦层3上贴附电极层组成摩擦单元，本发明制作的摩擦纳米发电机具有制备材料广泛、柔性高、多尺度提升输出性能等优点，应用前景广阔。