一种单电极一体式摩擦发电机

摘要

本发明提供一种单电极一体式摩擦发电机，属于发电机技术领域。该系统包括摩擦层元件和电极层元件，电极层元件与摩擦层元件复合为一体位于同一平面，构成单电极一体式摩擦发电机。在外力作用下，生活中的绝缘与非绝缘物体表面充当第二摩擦层，与该摩擦发电机的摩擦层接触和分离，引起电极层与大地之间电极电势的差异，电极层能够向外电路输出电信号。本发明提供的摩擦发电机结构简单，制备容易，应用范围广泛。

权利要求

1.一种单电极一体式摩擦发电机，其特征在于：包括摩擦层元件(10)和电极层元件(20)，摩擦层元件(10)和电极层元件(20)复合为一体，且位于同一个平面，电极层元件(20)组成单个电极层，单个电极层向外电路输出电信号。

2.根据权利要求1所述的单电极一体式摩擦发电机，其特征在于：所述发电机为单电极结构。

3.根据权利要求1所述的单电极一体式摩擦发电机，其特征在于：所述摩擦层元件(10)在外力作用下与第二摩擦面(11)接触或分离。

4.根据权利要求1所述的单电极一体式摩擦发电机，其特征在于：所述电极层元件(20)和摩擦层元件(10)通过溅射、电沉积或者粘合方式组合成位于一个平面的一体式摩擦发电机。

5.根据权利要求1所述的单电极一体式摩擦发电机，其特征在于：所述摩擦层元件(10)由高分子绝缘材料制成，且摩擦层元件(10)表面经过改性。

6.根据权利要求1所述的单电极一体式摩擦发电机，其特征在于：所述电极层元件(20)由导体材料、半导体材料或其他导电材料中的一种制成。

7.根据权利要求1所述的单电极一体式摩擦发电机，其特征在于：所述第二摩擦面(11)为绝缘材料或非绝缘材料。

8.根据权利要求1所述的单电极一体式摩擦发电机，其特征在于：所述摩擦层元件(10)和电极层元件(20)为薄膜或薄片，摩擦层元件(10)和电极层元件(20)为柔性材料或硬质材料。

9.根据权利要求1或3所述的单电极一体式摩擦发电机，其特征在于：所述外力作用为拍打、踩踏、抚摸、振动、揉搓多种能量驱动形式。

说明书

一种单电极一体式摩擦发电机

技术领域

[0001] 本发明涉及发电机技术领域，特别是指一种单电极一体式摩擦发电机。

背景技术

[0002] 现代社会中，机械能无处不见，但是很多看似微弱其实总量巨大的机械能却大都被忽略并没有被加以利用，如机动车碾压地面的能量、人走路踩踏地面的能量。目前，美国佐治亚理工学院教授王中林等已经利用摩擦起电和静电感应原理成功制备了摩擦发电机，该摩擦发电机能够将机械能转变为电能，特别是在对人体活动等低频能量的收集转化方面有着其独特的优势。但是，上述的摩擦发电机中，大都是上电极和下电极分别处于不同的平面上，结构复杂，且须使用很多摩擦材料和电极材料，费用较高。

发明内容

[0003] 本发明针对现有摩擦发电机结构复杂等问题是提供一种单电极一体式摩擦发电机，该发电机为单电极结构，包括摩擦层元件和电极层元件，摩擦层元件和电极层元件复合为一体，且位于同一个平面，电极层元件组成单个电极层，单个电极层向外电路输出电信号。

[0004] 其中，摩擦层元件在外力作用下与第二摩擦面接触或分离，外力作用指的是拍打、踩踏、抚摸、振动、揉搓等多种能量驱动形式。

[0005] 电极层元件和摩擦层元件通过溅射、电沉积或者粘合等方式组合成位于一个平面的一体式摩擦发电机。

[0006] 摩擦层元件由高分子绝缘材料制成，高分子绝缘材料选自聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚薄膜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、酚醛树脂、氯丁橡胶、纤维素薄膜、天然橡胶、乙基纤维素、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、人造纤维、聚乙醇缩丁醛、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸盐、人造纤维薄膜、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、液晶高分子聚合物、派瑞林、木头等。

[0007] 电极层元件由导体材料、半导体材料或其他导电材料中的一种制成，导体材料、半导体材料或者其他导电材料可以选自金属或合金，其中金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。除金属或合金外，其他导电材料可以选自铟锡氧化物、石墨烯及其衍生物、离子掺杂的半导体、其他导电薄膜材料等。

[0008] 第二摩擦面为绝缘材料或非绝缘材料，如生活中人的鞋底、衣服、人体等。

[0009] 摩擦层元件和电极层元件为薄膜或薄片，摩擦层元件和电极层元件为柔性材料或硬质材料，摩擦层元件和电极层元件可以为多种尺寸和形状，摩擦层元件和电极层元件可以为不同的颜色和不同的透明度。

[0010] 摩擦层元件的表面经过改性，改性手段分为物理改性和化学改性。物理改性常见的方法有化学刻蚀、光刻蚀、等离子刻蚀等增大摩擦层的比表面积；化学改性为通过引入其他纳米材料或者不同极性的基团对摩擦层或者电极层的表面进行化学修饰。

[0011] 该摩擦发电机的发电原理基于金属材料与高分子材料之间接触摩擦引发的电荷分离，电荷经电极层转移引起电极与大地间的电势不同，从而产生电流。

[0012] 本发明的上述技术方案的有益效果如下：

[0013] 该发电机将两电极集中在同一平面上，减少材料消耗，采用单电极一体式结构，即将电极层元件和摩擦层元件集中在同一个平面上，引出一个电极输出端，结构简单、使用材料较少，所以价格低廉。不需要专门提供第二摩擦面，触发模式可以使绝缘或者非绝缘材料，生活中人本身以及人的鞋底、衣服、轮胎、地毯、海绵等都可以充当第二摩擦面。所用材料为柔性材料，可以根据具体环境改变形状，因此对环境要求较小，且占地面积小。

[0014] 总之，该发电机优点如下：

[0015] 1、一体式结构简单，单电极输出端。本发明包括两部分构成元件:摩擦层元件和电极层元件。其中电极层元件通过电沉积或溅射等方式与摩擦层元件复合为一体，构造成单电极一体式摩擦发电机，该摩擦发电机结构简单，制备容易。夹住电极层的一边就可发电，突破了传统发电机必须夹住发电机电极两端才能构成通路的限制。

[0016] 2、不需刻意提供第二摩擦层，且能量驱动形式多样化。生活中的衣服、手套、鞋底等甚至是人体本身均可以充当第二摩擦面与本发明的一体式摩擦发电机作用。并且该摩擦发电机适用于多种能量驱动形式，即各种形式的机械能均可以被收集用来发电，如在对该摩擦发电机进行抖动、拍打、踩踏、抚摸、振动、揉搓等能量驱动形式下，该发电机都会显示有电流输出，拓宽了摩擦发电机的应用范围。

[0017] 3、触发模式绝缘非绝缘均可，设计灵活，应用广泛。本发明的单电极一体式摩擦发电机结构简单，触发模式绝缘非绝缘均可，并且对选用材料的硬度无要求，这些优点为本发明中所提供的一体式摩擦发电机带来更大的发展前景，如用在发光地毯，发光衣服，发光饰品，发光玩具等等，具有广阔的市场应用空间。

附图说明

[0018] 图1为本发明的单电极一体式摩擦发电机结构示意图；

[0019] 图2为本发明的单电极一体式摩擦发电机发电原理示意图；

[0020] 图3为本发明的单电极一体式摩擦发电机的另一种结构示意图；

[0021] 图4为实施例2中一体式摩擦发电机输出的电流谱图。

[0022] 其中：10-摩擦层元件；20-电极层元件；11-第二摩擦面。

具体实施方式

[0023] 为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

[0024] 本发明针对现有的摩擦发电机机构复杂等问题，提供一种单电极一体式摩擦发电机，该发电机能够将拍打、踩踏、抖动、风力、潮汐等自然存在的机械能转化为电能，该摩擦发电机将电极层元件和摩擦层元件集中在一个平面上，形成了一种单电极输出端的摩擦发电机，如图1和图3所示，该发电机包括摩擦层元件10和电极层元件20，摩擦层元件10和电极层元件20复合为一体，且位于同一个平面，电极层元件20组成单个电极层，单个电极层向外电路输出电信号。电极层元件20和摩擦层元件10通过溅射、电沉积或者粘合方式组合成位于一个平面的一体式摩擦发电机。本发明的摩擦发电机为单电极输出端，即电极层元件20上引出一个电极便于传输导出电荷；生活中人的鞋底、衣服、轮胎、地毯、海绵等摩擦起电的材料都可以充当第二摩擦面11，在外力如拍打、振动、踩踏、抚摸等形式作用下，通过摩擦层元件10和电极层元件20向外电路传输出电信号。

[0025] 摩擦层元件10为高分子绝缘材料(例如，高分子聚合物绝缘层)，主要为本发明一体式摩擦发电机提供一个摩擦表面，其材质可以选自聚二甲基硅氧烷、聚乙烯、聚丙烯、聚偏氟乙烯、偏氯乙烯丙烯腈共聚薄膜、聚四氟乙烯、聚氯乙烯、氟化乙烯丙烯共聚物、聚三氟氯乙烯、聚氯丁二烯、聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚碳酸酯、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、酚醛树脂、氯丁橡胶、纤维素薄膜、天然橡胶、乙基纤维素、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、人造纤维、聚乙醇缩丁醛、纤维(再生)海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸盐、人造纤维薄膜、聚苯乙烯，聚甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚对苯二甲酸乙二醇酯、液晶高分子聚合物、派瑞林、木头等。作为摩擦层元件的材料很多，此处仅列举一些常见的材料，显然这些材料并不能成为本发明保护的限制条件。

[0026] 本发明中的摩擦层元件10采用硬质材料和柔性材料均可，因为材料的硬度并不影响摩擦发电机的摩擦效果。同样，摩擦层材料的厚度对摩擦效果也没有影响，因此本领域的技术人员可以根据实际的应用需求对材料的硬度和厚度进行选择，这里并不详细的列举，但是由此衍生出的各种设计应该都包含在本发明的保护范围内。本实施例中的摩擦层材料优选为柔性的薄膜或薄片材料，可以360度弯折，厚度为50nm-5mm，优选100nm-2mm，更优选1μm-800μm，这些厚度对本发明中所有的技术方案都适用。

[0027] 电极层元件20中的导电层材料需要具备能够导电的特征，可以选自金属或合金，其中金属可以是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金可以是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。除金属或合金外，其他能够导电的材料也可以用来制作导电层，例如铟锡氧化物、石墨烯及其衍生物、离子掺杂的半导体、其他导电薄膜材料等。可以导电的材料很多，这里不进行详细的列举，但是这些具体的材料不能够成为本发明保护范围的限制。

[0028] 一体式单电极摩擦发电机的制作过程简单易行，通常采用磁控溅射、等离子体溅射、蒸镀或者电化学沉积等方式将金属或合金以及其他导电材料沉积到相应的高分子聚合物摩擦层上，并引出一个电极。或者通过简单的粘胶方式将导电材料与摩擦层进行组合，以保证导电层与摩擦层表面的紧密接触，从而能够达到电荷高效转移的目的。本领域的技术人员综合摩擦层材料和导电材料的特点，能够选择合适的制备方法。本实施例中电极层元件中导电层的厚度可选范围为10nm-5mm，优选为50nm-1mm，更优选为100nm-500μm。

[0029] 本发明单电极一体式摩擦发电机的摩擦层元件10和电极层元件20可以进行改性以提高电荷的数量和转移速率，改性手段分为物理改性和化学改性。物理改性常见的方法有化学刻蚀、光刻蚀、等离子刻蚀等增大摩擦层的比表面积，即保证该摩擦层与另一物体之间发生摩擦时的接触面积增大，从而使接触电荷增多；化学改性为通过引入其他纳米材料或者不同极性的基团对摩擦层或者电极层的表面进行化学修饰，能够达到实现电荷的高效储存和转移。本领域的技术人员可以根据摩擦层和导电层材料的不同选择合适的修饰方法，因此在本发明一体式摩擦发电机设计的基础上对摩擦层元件10和电极层元件20的修饰都属于本发明的保护范围。

[0030] 本发明的单电极一体式摩擦发电机，因为对摩擦层和导电层材料的选取和后期改性修饰的不同，可以呈现不同的透明度或者颜色。同样，可以对摩擦层进行不同形状的设计，如图3为一种典型的一体式摩擦发电机的示意图，其中的摩擦层为连续的网格形状。本领域的技术人员可以根据实际应用对摩擦层和导电层材料进行选择加工，因此在本发明一体式摩擦发电机设计的基础上发明的不同透明度、颜色、不同形状的一体式摩擦发电机都属于本发明的保护范围。

[0031] 本发明的一体式摩擦发电机包括摩擦层元件10和电极层元件20，为了方便实际应用并且对电极层元件20进行保护，可以为其加上基底，基底材料选用绝缘的高分子聚合物。本领域的技术人员可以根据实际应用进行灵活选择加工，因此是否具备基底材料的一体式摩擦发电机都属于本发明的保护范围。

[0032] 当外界存在且与该摩擦发电机的摩擦层的摩擦电极序不同的多种物体，如衣服、鞋底、手套等与本发明一体式摩擦发电机之间发生摩擦起电和静电感应时，该摩擦发电机将机械能转换为电能，对外电路进行做功。本发明的一体式摩擦发电机可以通过多种形式进行发电，如对其拍打、踩踏、抚摸、振动等。

[0033] 现以带有丁腈手套充当第二摩擦面11，拍打的发电方式为例对本实施中的一体式摩擦发电机的发电过程进行具体的阐述，具体如下：

[0034] 当带有丁腈手套的手对一体式摩擦发电机进行拍打时，两者之间发生周期性地接触和远离，其中该一体式摩擦发电机为单电极输出端与外电路和大地之间形成回路，结合附图2对发电原理进行阐述。当带有丁腈手套的手与摩擦发电机的摩擦层接触时，由于摩擦起电效应，摩擦层元件10表面和丁腈手套表面分别会产生等量相反的静电荷。当两者分离时，由于静电感应原理电极层元件20上会产生相应的静电荷，该静电荷的符号与丁腈手套表面带有的电荷同号但是数量不等，此时在外电路产生电流，带有丁腈手套的手达到远离极限时电荷平衡。当带有丁腈手套的手再次按反向运动靠近摩擦发电机时，产生的电流方向与上述方向相反，完全接触时两者所带的静电荷达到平衡，回到初始状态。在反复拍打摩擦发电机的摩擦层时，该摩擦发电机不断地重复上述发电过程，从而实现将拍打产生的机械能转化为电能。

[0035] 实施例1：

[0036] 本实施例中提供一种新型的不透明柔性超薄单电极一体式摩擦纳米发电机。本实施例中选用透明的PET为基底，摩擦层元件10选取为电负性较强的PTFE膜，电极层元件20选取为导电性较强且不透明的铝箔。本实施例中的一体式摩擦发电机通过简单粘合的方式制备，其中电极层元件的厚度为270μm，具备良好的柔性，可以360度弯折。

[0037] 实施例2：

[0038] 本实施例中提供一种新型的透明柔性超薄单电极一体式摩擦纳米发电机。本实施例中摩擦层元件10选取透明的FEP薄膜，电极层元件20选取为导电性较强且透明的ITO膜。本实施例中采用磁控溅射的方式将ITO电极层镀在FEP薄膜上，整个一体式摩擦发电机的厚度为90μm，同样具备良好的柔性，可以360度弯折。

[0039] 图4为本实施例2中透明柔性超薄单电极一体式摩擦纳米发电机，以带有丁腈手套的手指按压方式发电的电流的输出信号示意图，该摩擦纳米发电机能够点亮LED灯，因此证明该发电机的短路电流信号真实可信。

[0040] 以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。