一種基于壓電摩擦電磁的復合納米發電機制造技術

本發明專利技術涉及一種基于壓電摩擦電磁的復合納米發電機，在轉子外側相對應位置上設置有一對突起的扣罩式摩擦層。在外殼內側相對應位置上設置有一對突起的扣罩式壓電層。在外殼內側設置有相對應的一對磁極。本發明專利技術將基于壓電的能量采集方式的高電量特性，與基于摩擦的能量采集方式的高電壓特性，以及基于電磁的能量采集方式的連續高輸出特性相結合。本發明專利技術在摩擦材料表面制備了微納米陣列結構，極大地提高了摩擦效率和有效摩擦面積，從而極大地提高了輸出。本發明專利技術利用轉子轉動同時實現壓電輸出、摩擦輸出和電磁輸出，從而可以輕松地采集風能和水能，提供了一種新型的從大自然采集能量的方式。本發明專利技術加工工藝簡單，成本低廉，產率高，易于產業化。

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及微加工
，特別涉及一種基于壓電摩擦電磁的復合納米發電機。
技術介紹
進入二十一世紀以來，隨著人口的快速增長和社會經濟的迅猛發展，能源問題業已成為限制人類社會發展的桎梏。隨著儲量有限的傳統化石燃料(煤、石油和天然氣等)日益消耗殆盡，國內外研究人員紛紛把目光投向各種新型能量，其中，專為微小型器件和系統供能的納米發電機一經提出，即受到廣泛持續的關注，被譽為引領微納米能源發展的主導，是解決能源危機的有效手段。2006年美國佐治亞理工學院王中林教授研究組利用氧化鋅納米線將機械能轉化成電能，成功實現了壓電式納米發電機，并首次提出了納米發電機的概念。隨后，基于壓電特性> 基于摩擦特性和基于熱釋電特性等的納米發電機被陸續研制成功。但上述基于單一特性的納米發電機，均受到不同的制約和限制，如:基于壓電特性的納米發電機輸出電量高，充電能力強，但輸出電壓不高；基于摩擦特性的納米發電機輸出電壓高，但輸出電流小，且輸出脈沖寬度窄，充電能力弱；基于熱釋電的納米發電機，響應速度慢，輸出小。為解決上述問題，收集多種類型能量的復合發電機被研制出來。復合發電機集成了不同能量采集方式的優點，通過互補的方式實現高性能納米發電機。但傳統復合納米發電機輸出性能仍然不高，無法實現持續供能，且供電充電能力弱，需要外接電路(如整流濾波電路等)才能供給微電子器件和系統，無法實現直接供能，因此遠遠無法滿足微系統的供能需求。目前，實現壓電、摩擦和電磁這三種能量采集方式一體集成的復合納米發電機還未見報道。此外，各類已有納米發電機主要采集人體運動等低頻機械能，采集自然界中儲量豐富的可再生能量(如風能、水能等)還未見報道。
技術實現思路
本專利技術的目的在于提出一種基于壓電摩擦電磁的復合納米發電機，將三種能量采集方式一壓電、摩擦和電磁，結合在一起，從而實現高性能納米發電機。利用壓電式納米發電機高電量，與摩擦式納米發電機高電壓，以及電磁式連續高輸出的優勢互補，形成壓電摩擦電磁復合納米發電機，解決了傳統單一形式及復合形式納米發電機輸出功率小的缺陷。通過在摩擦材料表面制備微納米結構，增加了有效摩擦面積，進一步提高了器件輸出性能。利用轉子旋轉帶動摩擦材料實現摩擦，且同時實現對壓電材料的擠壓，以及線圈切割磁極間磁感應線，從而輕易收集風能水能等儲量巨大的清潔能源，且實現連續能量輸出。為達到上述目的，本專利技術提出的一種基于壓電摩擦電磁的復合納米發電機，包括外殼，轉子。在轉子外側相對應位置上，沿軸向設置有一對突起的扣罩式摩擦層。在外殼內側相對應位置上，沿軸向也設置有一對突起的扣罩式壓電層。同時，在外殼內側，位于所述的一對壓電層之間的位置，設置有相對應的一對磁極。本專利技術的技術優勢是:1、本專利技術提出的一種基于壓電摩擦電磁的復合納米發電機，將基于壓電的能量采集方式的高電量特性，與基于摩擦的能量采集方式的高電壓特性，以及基于電磁的能量采集方式的連續高輸出特性相結合，優勢互補，可以實現高電壓高電流，即高功率高輸出的納米發電機。2、本專利技術提出的一種基于壓電摩擦電磁的復合納米發電機，在摩擦材料表面通過倒模或壓印的工藝制備了微納米陣列結構，極大地提高了摩擦效率和有效摩擦面積，從而極大地提高了輸出。3、本專利技術提出的一種基于壓電摩擦電磁的復合納米發電機，利用轉子轉動同時實現壓電輸出、摩擦輸出和電磁輸出，從而可以輕松地采集風能和水能，提供了一種新型的從大自然采集能量的方式。4、本專利技術提出的一種基于壓電摩擦電磁的復合納米發電機，其加工工藝簡單，器件整體架構可靠易實現，成本低廉，產率高，可批量生產，易于產業化，且所提出的新型復合結構可極大提高輸出性能。附圖說明圖1為發電機結構示意圖；圖2為本專利技術的一種基于壓電摩擦電磁的復合納米發電機橫截面剖視圖；圖3為本專利技術的轉子結構示意圖；圖4為本專利技術的壓電層結構示意圖；圖5為本專利技術的摩擦層結構示意圖；圖6為本專利技術的一種基于壓電摩擦電磁的復合納米發電機工作原理圖；圖7為本專利技術的微納米結構(微米尺度結構-PDMS倒金字塔形陣列)掃描電鏡(SEM)照片；圖8為本專利技術的微納米結構(納米尺度結構-PDMS納米篩孔陣列)掃描電鏡(SHM)照片；圖9為本專利技術的微納米結構(微納復合結構-PDMS倒金字塔形陣列)掃描電鏡(SEM)照片。圖中:1.外殼，2.轉子，2-1.磁芯，2-2.線圈，3.壓電層，3-1.壓電電極，3-2.壓電材料層，4.摩擦層，4-1.摩擦電極，4-2.摩擦材料層，4-2-1.微納米結構，5.磁極。具體實施例方式下面結合附圖和具體實施方式對本專利技術實施例作進一步詳細的說明。圖1-圖9闡述了本專利技術提供的一種基于壓電摩擦電磁的復合納米發電機具體結構。圖1是通用的發電機結構示意圖。圖2是本專利技術的基于壓電摩擦電磁的復合納米發電機橫截面剖視圖，其剖視位置與圖1中A-B線相同。參見圖2，本專利技術提出的一種基于壓電摩擦電磁的復合納米發電機，包括:外殼1，轉子2。在轉子2外側相對應位置上，沿軸向設置有一對突起的扣罩式摩擦層4。在外殼I內側相對應位置上，沿軸向也設置有一對突起的扣罩式壓電層3。同時,在外殼I內側，位于所述的一對壓電層3之間的位置,設置有相對應的一對磁極5。所述的一對摩擦層4兩個最遠端間的距離大于所述的一對壓電層3兩個最近端間的距離。圖3為本專利技術的轉子2結構示意圖，與通用技術相同，它由磁芯2-1和線圈2-2構成。在圖4所示的壓電層3的結構中，所述的壓電層3由當中的壓電材料層3-2及兩側的壓電電極3-1組成。所述壓電電極3-1制作于壓電材料層表面。所述的壓電材料層3-2為具有壓電效應的柔性材料，如氧化鋅納米線、聚偏氟乙烯壓電薄膜(PVDF)或壓電復合材料(如 PDMS-BaTiO3、PVDF-BaTiO3 或 PDMS-ZnO 等)。壓電材料層 3-2 厚度為 20 μ m-2000 μ m。壓電電極3-1厚度為20nm - 200 μ m。在圖5所示的摩擦層4的結構中，所述的摩擦層4由當中的摩擦材料層4-2及內側(即靠近轉子2的一側)的摩擦電極4-1和外側的微納米結構4-2-1組成。所述摩擦電極4-1制作于摩擦材料層4-2表面。摩擦材料層4-2為較難失去電子的聚合物材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚酰亞胺(PI)等，厚度為20 μ m-2000 μ m。摩擦電極4_1厚度為20nm- 200ym。在所述方案中，微納米結構4_2_1是通過倒模或壓印的方法在摩擦材料層4-2表面制備微納米結構，由微米尺度結構，或納米尺度結構，或微納復合結構構成。其中微米尺度結構為金字塔形陣列或溝槽柵狀陣列或半球形陣列或柱狀陣列，特征尺寸為Iym- 500 μ m,間距I μ m - 50 μ m ;納米尺度結構為納米篩孔陣列或納米尖端陣列,特征尺寸為2nm -1OOOnm,間距2nm - 500nm ;微納復合結構由微米尺度結構和納米尺度結構組成。在所述的方案中，壓電電極3-1與摩擦電極4-1均為導電性好且較易失去電子的金屬或半導體材料，金屬如金、銀、鉬、銅、鋁、鈦或鎢等；半導體材料包括銦錫金屬氧化物(ΙΤ0)、II1-V族化合物或高摻雜硅等。所述方案中，所述磁極5為可產生強磁場的磁性材料，如天然磁石、鐵氧體磁材料、釹鐵硼磁材料、衫鈷磁材料、招鎳鈷磁材料、稀土合本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種基于壓電摩擦電磁的復合納米發電機，包括外殼（1），轉子（2），其特征在于：在轉子（2）外側相對應位置上，沿軸向設置有一對突起的扣罩式摩擦層（4）；在外殼（1）內側相對應位置上，沿軸向也設置有一對突起的扣罩式壓電層（3）；同時，在外殼（1）內側，位于所述的一對壓電層（3）之間的位置，設置有相對應的一對磁極（5）。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：張曉升，張海霞，韓夢迪，孫旭明，朱福運，劉雯，
申請(專利權)人：北京大學，
類型：發明
國別省市：