本发明涉及静电摩擦、能量转换领域，特指一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机。该发电机采用螺旋折叠的弹性结构可以使每个发电单元的摩擦层都能够实现同步的接触和分离，并且可以使第一摩擦层双面接触，使单位时间内转移两倍的电荷量，主要用于解决振动或往复运动过程中输出功率较小且输出性能不稳定的技术问题。
1.一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机包括上支撑板、下支撑板、所述上支撑板与下支撑板之间的摩擦发电单元以及连接于上支撑板和下支撑板的弹性组件，该摩擦发电单元由螺旋基底和三明治基底通过螺旋折叠的方法相间组合在一起；其中螺旋基底作为第一摩擦单元，既为第一电极层也是第一摩擦层，三明治基底作为第二摩擦单元，由中间金属层作为第二电极层和设置在金属层两侧的摩擦层作为第二摩擦层；通过螺旋折叠的方式将螺旋基底和三明治基底相间组合起来，使得第一摩擦单元与第二摩擦单元面对面接触，其中每个摩擦单元正面与背面所接触的均为另一摩擦单元，所述上支撑板和下支撑板是摩擦纳米发电机工作时受外部振动或内部往复运动时的受力面，弹性组件提供辅助回弹的弹力使外部振动的机械振动或内部往复运动持续进行，第一摩擦单元和第二摩擦单元在外力作用下作相互接触分离运动。
2.如权利要求1所述的一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机，其特征在于，第一电极层和第二电极层为束缚电子能力弱的金属导电层；第二摩擦层为束缚电子能力强的非金属绝缘层。
3.如权利要求1所述的一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机，其特征在于，既为第一电极层也为第一摩擦层的螺旋基底与第二电极层的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金的薄膜，厚度均为50μm-lmm；第二摩擦层的材质为聚四氟乙烯，第二摩擦层的厚度为50μm-lmm。
4.如权利要求1所述的一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述支撑板为亚克力板。
5.如权利要求1所述的一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机，其特征在于，第一摩擦单元和第二摩擦单元通过螺旋折叠结构面对面设置，且接触面积相等，并且第一摩擦层和第二摩擦层的摩擦电极序存在差异，且差异越大效果越好。
6.如权利要求1所述的一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机，其特征在于，一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机在外部振动或内部往复运动及弹簧辅助力的作用下使第一摩擦单元和第二摩擦单元不断接触分离，使摩擦特性相差较大的第一摩擦层与第二摩擦层产生正负静电荷，静电经诱导使所述摩擦层对应电极间形成电势差，连接外部负载产生电流。
7.如权利要求1所述的一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述螺旋基底和三明治基底通过螺旋折叠的方法相间组合在一起的方法为：首先将三明治基底和螺旋基底一端对齐十字叠在一起且三明治基底在上，螺旋基底在下，并在此时用环保树脂胶将其粘贴在一起，然后将螺旋基底按虚线往左折叠，接着将三明治基底按虚线往下折叠，以此类推将三明治基底和螺旋基底十字交叉交替折叠，并在最后一层三明治基底和螺旋基底相接触时用环保树脂胶粘贴在一起，当上下伸展开时为一种螺旋折叠结构，同时三明治基底变为三明治折叠基底，螺旋基底变为螺旋折叠基底；保证了两基底的任意一面两侧接触的基底均为另一基底。
一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机
技术领域
[0001] 本发明涉及静电摩擦、能量转换领域，特指一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机。
背景技术
[0002] 能源问题是影响人类进步和可持续发展的重大问题之一，各种围绕新能源开发、可再生能源重复利用的研究正在世界各地如火如荼的进行；本发明所涉及的一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机正好承接了以上理念；基于摩擦电效应以及静电感应原理的静电摩擦发电机在王中林团队等众多科学团队不断努力下取得了大量的研究成果，通过周期性垂直接触-分离、面内滑动、转动或者压电效应的静电摩擦发电机已经成功地用于收集机械能；申请号为201310021766.3的中国专利申请公开了一种折叠式微型震动发电机及其制造方法，通过普通折叠结构让两个摩擦单元接触-分离，产生电荷但该种形式的摩擦发电机的两个摩擦单元接触后不能自动分离恢复到原状且电荷密度较小，输出功率较低；申请号为201710010956.3的中国专利申请公开了一种弹性结构的摩擦纳米发电机，通过蛇形弯折的多层折叠结构让弹性基底的两层之间相互靠近和分离，在第一层级和第二层级之间产生交流电信号，将多个发电单元的电信号经过整流合并后并联形成电流输出，该种结构摩擦纳米发电机在靠近之后的自动分离的效果不佳且摩擦层均为单面接触，单位面积的电荷密度较小，输出电流较低；申请号为201710484297.7的中国专利申请公开了一种多层柔性折叠式摩擦发电机，但是其摩擦层均为单面接触，所获得的单位面积电荷密度较小，输出电流较低；本发明采用了螺旋折叠弹性结构，使得每个发电单元的摩擦层能够实现同步的接触和分离，并且采用双面微纳米尺度结构使得摩擦层双面接触，单位时间内转移两倍的电荷量，从而提高电流输出；本发明所述螺旋折叠弹性结构和双面微纳米尺度结构的摩擦纳米发电机可以适用于宽波段的振动频率，故其应用范围很广。
发明内容
[0003] 本发明解决的技术问题是：提供一种基于螺旋折叠弹性结构的新型摩擦纳米发电机，该发电机采用螺旋折叠的弹性结构可以使每个发电单元的摩擦层都能够实现同步的接触和分离，并且可以使第一摩擦层双面接触，使单位时间内转移两倍的电荷量，主要用于解决振动或往复运动过程中输出功率较小且输出性能不稳定的技术问题。
[0004] 本发明提供的一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机，其特征在于包括上支撑板、下支撑板、所述上支撑板与下支撑板之间的摩擦发电单元以及连接于上支撑板和下支撑板的弹性组件，该摩擦发电单元由螺旋基底和三明治基底通过螺旋折叠的方法相间组合在一起；其中螺旋基底作为第一摩擦单元，既为第一电极层也是第一摩擦层，三明治基底作为第二摩擦单元，由中间金属层作为第二电极层和设置在金属层两侧的摩擦层作为第二摩擦层；通过螺旋折叠的方式将螺旋基底和三明治基底相间组合起来，使得第一摩擦单元与第二摩擦单元面对面接触，其中每个摩擦单元正面与背面所接触的均为另一摩擦单元，所述上支撑板和下支撑板是摩擦纳米发电机工作时受外部振动或往复运动时的受力面，弹性组件提供辅助回弹的弹力使机械振动或往复运动持续进行，第一摩擦单元和第二摩擦单元在外力作用下作相互接触分离运动。
[0005] 优选的，其中第一电极层和第二电极层为束缚电子能力弱的金属导电层；第二摩擦层为束缚电子能力强的非金属绝缘层。
[0006] 优选的，既为第一电极层也为第一摩擦层的螺旋基底与第二电极层的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金的薄膜，厚度均为50μm-lmm；第二摩擦层的材质为聚四氟乙烯，第二摩擦层的厚度为50μm-lmm。
[0007] 优选的，所述支撑板为亚克力板。
[0008] 优选的，第一摩擦单元和第二摩擦单元通过螺旋折叠结构面对面设置，且接触面积相等，并且第一摩擦层和第二摩擦层的摩擦电极序存在差异，且差异越大效果越好。
[0009] 本发明一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机在外部振动或往复运动及弹簧辅助力的作用下使第一摩擦单元和第二摩擦单元不断接触分离，使摩擦特性相差较大的第一摩擦层与第二摩擦层产生正负静电荷，静电经诱导使所述摩擦层对应电极间形成电势差，连接外部负载产生电流。
[0010] 本发明一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机的输出特性由摩擦单元数量、往复运动或振动频率、摩擦层有效摩擦面积及两种摩擦层材料特性等因素共同决定。
[0011] 本发明一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机具有输出电流大、输出电压高、结构原理简单、制作成本低廉、耐磨耐用、输出性能稳定、输出的电流和电压可以通过调节摩擦层数量进行控制等特点，该结构的摩擦发电机对周围环境中的振动及往复性运动产生的能量均能够有效收集。
[0012] 与现有技术相比，本发明具有的有益效果是；
[0013] 1、通过对两种摩擦层在结构上实现螺旋折叠式多层接触的设计，保证各摩擦层严格在同一时间进行接触与分离，保证各摩擦层输出性能同步且一致，极大提高了摩擦发电机输出电流及电压的稳定性，螺旋折叠式弹性结构的设计在有限的空间
[0014] 2、在螺旋折叠结构的作用下，使第一摩擦层双面接触，单位时间内转移两倍的电荷量，从而单位时间内的电流增加。该摩擦纳米发电机具有结构简单紧凑，制备方法简便，输出功率大等特点，在车载传感器供电、大型装备健康状况监控等领域有着广泛的应用前景。
附图说明
[0015] 通过附图所示本发明的上述及其他目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。
[0016] 图1为本发明的螺旋折叠弹性结构摩擦纳米发电机的结构示意，其中图1(a)为总体结构示意图，图1(b)为隐藏上支撑板的三维结构示意图。
[0017] 图2(a)为本发明的三明治基底的结构示意图；图2(b)为本发明的螺旋基底的结构示意图。
[0018] 图3(a)-(d)为本发明的螺旋基底和三明治基底的折叠方法示意图；图3(e)和(f)为本发明的螺旋基底和三明治基底折叠组合后拉伸开的三维结构示意图。
[0019] 图4为普通垂直接触-分离式摩擦纳米发电机的工作原理图。其中图4(a)为接触时的工作原理图，图4(b)为分离时的工作原理图。
[0020] 图5为螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机的工作原理图。其中图5(a)为接触时的工作原理图，图5(b)为分离时的工作原理图。
[0021] 下面为图中各代号的解释和说明1、摩擦发电单元，2、上支撑板，3、弹簧，4、下支撑板，5、三明治基底，6、螺旋基底，7、第二摩擦层，8、第二电极层9、三明治折叠基底10、螺旋折叠基底
具体实施方式
[0022] 本发明提供一种能够使摩擦单元同时接触和分离，并且可以获得两倍电荷密度的螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机。该摩擦纳米发电机包括多个螺旋折叠结构的摩擦单元，并可通过弹性组件进行同步的接触和分离。
[0023] 为了便于理解本发明的技术方案，下面结合附图详细介绍本发明的具体实施方法。
[0024] 参见图1，本实施例的螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机，包括摩擦发电单元1、上支撑板2、若干个弹簧3和下支撑板4。其中摩擦发电单元由三明治基底5和螺旋基底6通过螺旋折叠的方法相间组成；其中三明治基底5由金属薄膜作为第二电极层8，以及金属薄膜正反表面的多个PTFE薄膜作为第二摩擦层7，如图2(a)所示；其中螺旋基底6由金属薄膜制成既作为感应电极层也作为摩擦层，如图2(b)所示；其中三明治基底5和螺旋基底6通过螺旋折叠的方法相间组合在一起，得到三明治折叠基底9和螺旋折叠基底10。过程如图3所示，首先将两个基底一端对齐十字叠在一起且三明治基底5在上，螺旋基底6在下，并在此时用环保树脂胶将其粘贴在一起(如图3a所示)，然后将螺旋基底6按虚线往左折叠(如图3b)，接着将三明治基底5按虚线往下折叠(如图3c)，以此类推将5,6十字交叉交替折叠，并在最后一层5，6相接触时用环保树脂胶粘贴在一起，最终如图3e所示，当上下伸展开时为一种螺旋折叠结构，结构如图3e、f所示，同时三明治基底5变为三明治折叠基底9，螺旋基底6变为螺旋折叠基底10；这种螺旋折叠结构保证了两基底的任意一面两侧接触的基底均为另一基底。将螺旋折叠组合的上下两面通过环保树脂胶粘贴在上下支撑板的中心位置，并引入弹簧3，弹簧3的两端固定在上支撑板2和下支撑板4上，在振动或往复外力的作用下，使得螺旋折叠组合中的三明治折叠基底和螺旋折叠基底发生同步接触和分离运动产生摩擦静电荷。本发明采用螺旋折叠弹性结构使所有摩擦层同步进行接触与分离，增加了摩擦层接触分离的数量；并且让螺旋折叠基底既作为摩擦层又作为感应电极层，进行双面接触，单位时间内将转移两倍的电荷量，这两种特点的结合大大地提高了所述发电机的输出性能，且稳定性优于类似结构发电机。
[0025] 本实施方式中，所述感应电极均由金属材料制成，所选用的金属材料包括铜、铝或两者的任意比例的铜铝合金，所述上支撑板2、下支撑板4均为亚克力板。
[0026] 本实施方式中，所述第二摩擦层7材料为聚四氟乙烯等绝缘材料。所述螺旋折叠式摩擦纳米发电机的摩擦层外形、材质和尺寸大小均可调节，如外形可选平面长方形、平面正方形等。
[0027] 本实施方式所述的一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机工作原理为：在任意频率的往复外力或振动环境下，螺旋折叠基底的正反两面与两组第二摩擦层7同时相互接触与分离，由于各摩擦层材料在接触时会在某部分表面形成化学键，电荷由一个表面转移到另一个表面，来平衡两者的电化学势差。本发明的纳米发电机由于螺旋折叠基底双面接触第二摩擦层7，因此在接触时螺旋折叠基底表面将会转移两倍的电荷量，从而提高了输出性能。如图4和5所示，我们通过比较普通的垂直接触摩擦纳米发电机与本发明摩擦纳米发电机在接触和分离时的工作原理图，易得出本发明的摩擦纳米发电机在感应电极上转移了两倍的电荷量。
[0028] 由此，可知本发明的一种螺旋折叠弹性结构的摩擦纳米发电机具有结构简单、制作方便、成本低廉、输出功率高、输出性能稳定等优点。与此同时，所述发电机可以通过结构改变调整摩擦层数量，从而控制其输出性能；所述发电机通过摩擦层的双面接触可以在单位时间内转移两倍的电荷量，从而得到更高的输出。本发明所述螺旋折叠弹性结构和双面微纳米尺度结构的摩擦纳米发电机可以适用于宽波段的振动频率，故其应用范围很广。
[0029] 以上实施例描述了本发明的基本原理、主要特征及优点，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明原理的范围下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进均落入本发明保护的范围内。
