一種滑動式復合納米發電機的制作方法

本發明涉及本發電技術領域，特別涉及將摩擦效應與磁電效應耦合進行發電的滑動式復合納米發電機。

背景技術：

隨著當今世界全球經濟的迅速發展，能源成為人類社會可持續發展中最具決定性的因素之一。科學家們已經研究出各種各樣的技術從自然界中獲取能源，比如太陽能，風能，地熱能，潮汐能。在這些技術中，從外部環境獲取機械能是最廣泛出現的技術，這已經吸引了科學家們巨大的興趣，并且由于在我們的生活環境中和工業生產中存在著巨量的機械能，這種技術被認為是解決能源危機的一種有效的并且很有前途的途徑。我們在生活中的一舉一動都是微小的能源，收集這些微小能源用于小型微電子、納電子器件的自驅動供電，對節能減排和可持續發展具有重要的科學意義和實用價值。

目前，基于摩擦效應的納米發電機已有較多報道，兩個得失電子能力不同的摩擦材料在機械能作用下互相滑動摩擦，在與兩個摩擦材料接觸設置的電極上會產生電勢差，可以在外電路中形成電流輸出。但是，現有結構的摩擦發電機的能量轉化形式單一，效率不高。

技術實現要素：

(一)要解決的技術問題

本發明的目的在于提供一種基于摩擦效應和磁電效應耦合的滑動式復合納米發電機，將機械能通過摩擦發電組件轉變為電能的同時，帶動電磁感 應組件的磁鐵部件和線圈部件相對運動產生感生電信號,提高了現有摩擦發電機的轉化效率。

(二)技術方案

為解決上述技術問題，本發明提出一種滑動式復合納米發電機，包括：摩擦發電組件和電磁感應發電組件，其中，

所述摩擦發電組件包括：第一發電部件和第二發電部件，其中，第一發電部件包括第一摩擦件以及與第一摩擦件接觸設置的第一電極，第二發電部件包括第二摩擦件以及與第二摩擦件接觸設置的第二電極；

電磁感應發電組件包括：磁鐵部件和線圈部件，所述磁鐵部件隨所述第一發電部件運動，所述線圈部件隨所述第二發電部件運動；

在外力作用下，所述第一發電部件與第二發電部件能夠互相滑動，使所述第一摩擦件與第二摩擦件表面滑動摩擦，所述第一摩擦件與第二摩擦件接觸的表面材料存在得失電子能力差異；在所述第一發電部件和第二發電部件帶動下，所述磁鐵部件在所述線圈部件中的磁通量產生變化。

優選的，所述第一摩擦件和第二摩擦件的材料為絕緣體材料、導體材料或者半導體材料；

所述絕緣體材料選自甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚乙烯、聚丙烯、聚異丁烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚氯醚、聚酯、聚氨酯、聚乙烯醇縮丁醛、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯中的一種或幾種的疊加。

優選的，所述第一摩擦件或者第二摩擦件的材料為導體材料，與導體材料接觸設置的電極省略。

優選的，所述線圈部件為平面線圈。

優選的，所述線圈部件的匝數大于2000匝。

優選的，還包括第一基底，所述第一發電部件設置在所述第一基底上；

和/或，還包括第二基底，所述第二發電部件設置在所述第二基底上。

優選的，所述磁鐵部件與第一發電部件設置在所述第一基底的同一側；或者，所述磁鐵部件與第一發電部件分別設置在所述第一基底的不同側；

所述線圈部件與第二發電部件設置在所述第二基底的同一側；或者，所述線圈部件與第二發電部件分別設置在所述第二基底的不同側。

優選的，所述第一發電部件和第二發電部件之間通過彈性部件連接。

優選的，所述彈性部件為彈簧，長度大于30mm。

優選的，所述第一摩擦件、第一電極和磁鐵部件均為薄層結構；

第二摩擦件、第二電極和線圈部件均為薄層結構。

優選的，所述第一摩擦件與第二摩擦件互相接觸的表面中，至少一個表面包括微納結構；

所述微納結構為納米線、納米棒、納米管、納米顆粒、納米溝槽、微米溝槽、納米錐、微米錐、納米球或微米球狀結構，以及上述結構形成的陣列。

優選的，所述磁鐵部件與線圈部件在所述第一發電部件與第二發電部件互相滑動的表面上的投影面積相當。

優選的，所述磁鐵部件包括多個磁鐵；和/或，所述線圈部件包括多個線圈。

優選的，多個所述磁鐵尺寸相同，并且在所述第一發電部件相對于第二發電部件滑動的方向上等間隔等間隔設置；

和/或，多個所述線圈尺寸相同，在第一發電部件相對于第二發電部件滑動的方向上等間隔設置。

優選的，所述磁鐵的間隔與線圈的間隔相等。

與現有技術相比，本發明具有以下有益效果：

1、本發明的復合納米發電機，在現有滑動式摩擦發電機的基礎上，將電磁感應發電組件的磁場部件和線圈部件分別設置在兩個能夠相對滑動的發電部件上，在摩擦發電組件的兩個發電部件相互滑動過程中，同時帶動磁場部件和線圈部件相對運動。因此，第一發電部件和第二發電部件的一次相對運動，可以使摩擦發電組件在摩擦效應作用下產生電信號，同時，線圈部件在電磁感應效應作用下也輸出電信號。復合納米發電機在一次動作中通過不同效應采集多種不同的能量，再通過一定方式使其協同為外部供電，可以達到互補增強的功效，從而更有效地為外界提供能源。

2、摩擦發電組件中的第一摩擦件、第一電極、第二摩擦件、第二電極的材料均為現有的材料，磁鐵部件和線圈部件為常用部件，并且價格低廉，本發明的復合納米發電機結構簡單，制備方法簡單，材料易于獲得，并且結構低廉，有利于在利用機械能轉變為電能方面應用推廣。

附圖說明

通過附圖所示，本發明的上述及其它目的、特征和優勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于顯示出本發明的主旨。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示范，但參數無需確切等于相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似于相應的值。此外，以下實施例中提到的方向用語，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，僅是參考附圖的方向。因此，使用的方向用語是用來說明并非用來限制本發明。

圖1和圖2為滑動式復合納米發電機的結構示意圖；

圖3為彈簧連接活動部件和固定部件實現滑動的發電機結構示意圖；

圖4為磁鐵部件和線圈部件中包括多個磁鐵和線圈的發電機結構示意圖；

圖5和圖6為分別為一個具體發電機的摩擦發電組件和電磁感應發電組件的輸出電信號測量結果。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本發明一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發明保護的范圍。

其次，本發明結合示意圖進行詳細描述，在詳述本發明實施例時，為便于說明，所述示意圖只是示例，其在此不應限制本發明保護的范圍。

本發明的復合發電機典型結構參見圖1，包括摩擦發電組件和電磁感應發電組件，其中，所述摩擦發電組件包括：第一發電部件1和第二發電部件2，其中，第一發電部件1包括第一摩擦件11以及與第一摩擦件11接觸設置的第一電極12，第二發電部件2包括第二摩擦件21以及與第二摩擦件21接觸設置的第二電極22；在外力F作用下，第一發電部件1與第二發電部件2能夠互相滑動，使第一摩擦件11與第二摩擦件21表面互相滑動摩擦，第一摩擦件11與第二摩擦件21接觸的表面材料存在得失電子能力差異。電磁感應發電組件包括：磁鐵部件31和線圈部件32，其中，磁鐵部件31隨第一發電部件1運動(可以設置在第一發電部件1上)，線圈部件32隨第二發電部件2運動(可以設置在第二發電部件2上)；在第一發電部件1和第二發電部件2互相滑動時，帶動磁鐵部件31和線圈部件32產生相對運動，在線圈部件32中產生感應電流。本實施例中，磁鐵部件31固定設置在第一電極12上，線圈部件32固定設置在第二電極22上。

由于第一摩擦件11和第二摩擦件21材料存在得失電子能力差異，根據摩擦效應，將在兩個互相接觸的表面聚集不同的電荷，當在摩擦發電組件的第一發電部件1或者第二發電部件2施加外力F時，第一摩擦件11與第二摩擦件21互相滑動摩擦，互相接觸面積發生變化，并且使正負電荷分離，如圖1中所示，在第一電極12和第二電極22之間形成電勢差，進而對外輸出電信號。另一方面，當摩擦發電組件的兩個發電部件互相滑動時，帶動磁鐵部件31和線圈部件32相對運動，使穿過線圈部件32的磁通量變化，根據電磁效應，磁通量的變化將會在線圈部件中產生感生電動勢，進而實現對外輸出電信號。只要在摩擦發電組件上施加外力F，使第一摩擦件11與第二摩擦件21表面往復滑動摩擦，第一電極12和第二電極22之間就會對外輸出交流電信號；相應的，在線圈部件32中產生感生電信號。本發明的滑動式復合納米發電機，可以將一個機械外力通過摩擦發電組件轉變為電信號的同時，還可以同時在線圈部件中產生電磁感應的電信號，也就是一次機械運動同時產生兩個電信號輸出，這樣的設計進一步提高了能量轉化效率。

實現第一發電部件1與第二發電部件2之間相互滑動可以有多種方式，例如將第一發電部件1固定，將第二發電部件2設置在往復運動的設備上，也可以將兩個發電部件1和2分別設置在兩個往復運動的其他部件上；或者通過其他可以實現兩個發電部件互相滑動的其他機械結構連接，具體的連接方式可以根據實際使用環境決定，不作為對本發明保護范圍的限定。

滑動式復合納米發電機還可以包括第一基底41和第二基底42，參見圖2，第一發電部件1設置在第一基底41上，第二發電部件2設置在第二基底42上，在外力F作用在第一基底或者第二基底上，使兩個發電部件的兩個摩擦件表面互相滑動。磁鐵部件31設置在第一基底41上，線圈部件32設置在第二基底42上，即磁鐵部件31與第一發電部件(即第一摩擦件11和第一電極12)在第一基底41的相對兩側(上下表面)，線圈部件32與第二 發電部件(即第二摩擦件21和第二電極22)在第二基底42的相對兩側(上下表面)。

在其他實施例中，也可以將磁鐵部件31固定設置在第一電極12上，第一基底41設置在磁鐵部件31上；線圈部件32固定設置在第二電極22上，第二基底42設置在線圈部件32上。磁鐵部件31與第一發電部件(即第一摩擦件11和第一電極12)在第一基底42的同一側，線圈部件32與第二發電部件(即第二摩擦件21和第二電極22)在第二基底43的同一側。

第一基底41和第二基底42可以為柔性材料或者硬性材料，例如可以為玻璃或者亞克力等材料。

參見圖1，第一摩擦件11和第二摩擦件21可以為薄層結構。相應的，第一電極12和第二電極22也可以為薄層結構。優選的，第一摩擦件、第一電極和磁鐵部件均為薄層結構，依次層疊設置；第二摩擦件、第二電極、第二緩沖層和線圈部件均為薄層結構，依次層疊設置。

本發明中的磁鐵部件31可以為釹鐵硼、鋁鎳鈷、釤鈷、鐵氧體等磁鐵，優選釹鐵硼磁鐵，線圈部件31優選平面線圈。優選地，線圈部件的匝數大于2000匝。

圖2中，磁鐵部件31固定設置在第一電極12上，第一基底41設置在磁鐵部件31上；線圈部件32固定設置在第二電極22上，第二基底43設置在線圈部件32上。磁鐵部件31與第一發電部件(即第一摩擦件11和第一電極12)在第一基底42的同一側，線圈部件32與第二發電部件(即第二摩擦件21和第二電極22)在第二基底43的同一側。

在其他實施例中，磁鐵部件31可以與第一發電部件設置在第一基底42的不同側，線圈部件32也可以與第二發電部件設置在第二基底43的不同側，參見圖4，磁鐵部件31設置在第一基底42的上表面，第一摩擦件11和第一 電極12設置在第一基底42的下表面；線圈部件32設置在第二基底43的下表面，第二摩擦件21和第二電極22設置在第二基底43的上表面。

第一基底41與第二基底42可以為平板狀或者套筒結構，也可以為互相配合的其他形狀，例如圖3中所示的互相配合的一對柱形和凹槽，第一基底41為柱形，第二基底42為底端連接的凹槽結構，第二基底42的底端與第一基底41的底端通過彈簧部件43連接，第一發電部件1和磁鐵部件31設置在第一基底41的柱形側面上形成可動部件，第二發電部件2設置在第二基底42的內側壁上，線圈部件32設置在第二基底42的外側壁上形成固定部件。優選的，磁鐵部件31固定在第一基底(可動部件)的下端，線圈部件32固定在第二基底(固定部件)的上端，使磁鐵與線圈對應好，以獲得最大的磁電信號。第一電極12通過觸點B連接導線，第二電極22通過觸點A連接導線，線圈部件的輸出端C和D為測試觸點。當外力作用在第一基底41(或者第一發電部件1)上施加壓力時，彈簧將受力壓縮，一方面，根據摩擦效應，由于兩側材料的摩擦系數不同，將在兩個摩擦件表面產生不同的電荷，進而在觸點A和B之間經由外部輸出電路對外輸出電信號；另一方面，根據磁電效應，穿過線圈部件32的磁通量會發生變化，進而在線圈部件的兩輸出端C和D產生電位差，實現對外輸出。只要對可動部件間隔性施加壓力，使其不斷上下震蕩，就會在觸點A和B之間、輸出端C和D之間持續對外輸出電信號。

優選地，彈性部件43的可變形范圍大于30cm。

摩擦發電組件中，第一摩擦件11和第二摩擦件21互相接觸的表面的材料存在得失電子能力差異，可以為半導體、導體和絕緣體材料。優選的，所述絕緣材料為聚合物絕緣材料，可以選自甲基硅氧烷、聚酰亞胺、聚乙烯、聚丙烯、聚異丁烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯醇、聚氯醚、 聚酯、聚氨酯、聚乙烯醇縮丁醛、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯中的一種或幾種的疊加。

優選地，第一摩擦件11與第二摩擦件21互相接觸的表面中，至少一個表面包括微納納結構，所述微納結構可以為納米線、納米棒、納米管、納米顆粒、納米溝槽、微米溝槽、納米錐、微米錐、納米球和微米球狀結構，以及上述結構形成的陣列。優選的，所述納米線、納米棒、納米管、納米溝槽、微米溝槽、納米錐、微米錐等結構可以通過硅模板或刻蝕的方法制作。

第一摩擦件11與第二摩擦件21中的一個可以為絕緣材料，另一個為導體材料或者半導體材料。第一摩擦件11或第二摩擦件21為導體材料時，與摩擦件接觸的電極可以省略。參見圖3，第二摩擦件21為導體材料，可以省略第二電極，由第二摩擦件21同時充當第二電極。

第一電極12和第二電極22可以采用任意的導體材料，優選為金屬材料，所述金屬材料選自金、鉑、銅、鋁、銀中的一種或者上述金屬形成的合金。第一電極12和第二電極22可以通過磁控濺射、蒸鍍和印刷打印技術來制作，但是為了組裝時工藝簡單，成本低廉，也可以直接選用金屬薄片，如Al、Cu箔等。

磁鐵部件31與線圈部件32的尺寸要匹配好，使得線圈部件更有效地切割磁感線，輸出最大的電流。優選的磁鐵部件31與線圈部件32在第一發電部件與第二發電部件互相滑動的表面上的投影面積相當。

參見圖4，在本發明的其他實施例中，磁鐵部件可以包括多個磁鐵301，多個磁鐵301互相間隔一定距離設置，多個磁鐵301可以相同也可以不相同。同樣的，線圈部件也可以包括多個線圈302，多個線圈302互相間隔一定距離設置，線圈302的尺寸和匝數可以相同也可以不相同，多個線圈的兩個輸出端可以進行并聯或者串聯連接。這樣結構的發電機，將一個機械外力通過摩擦發電組件轉變為電信號的同時，還可以同時在線圈部件中產生多個電磁 感應的電信號，也就是一次機械運動同時產生多個電信號輸出，這樣的設計進一步提高了能量轉化效率。

多個磁鐵301尺寸相同，并且在第一發電部件相對于第二發電部件滑動的方向上等間隔設置，多個線圈302尺寸相同，并且在第一發電部件相對于第二發電部件滑動的方向上等間隔設置，進一步，磁鐵的間隔與線圈的間隔設置為相等，第一發電部件與第二發電部件互相滑動時，可以出現多個磁鐵與多個線圈一一對應的時刻，如圖4中所示。線圈302輸出的電信號周期一致、峰值統一；如果磁鐵與線圈的尺寸和間距不相同，線圈中輸出的電信號的周期和峰值不一致。

下面以一個具體的發電機為例，說明本發明提供的發電機的工作過程。

切割一個長60mm×寬17mm×厚5mm(兩個直徑為10mm的圓孔和兩個50mm*3mm長方孔)和一個長60mm×寬17mm×厚3mm的亞克力板，并將它們粘貼起來作為器件的底座。再切割一塊長50mm×寬50mm×厚3mm的亞克力板并粘上Al金屬層后固定在底座上長方孔中。再分別切割一塊長50mm×寬50mm×厚3mm(帶有一個直徑為25mm的孔)和一塊長50mm×寬50mm×厚0.6mm的亞克力板，將其粘起來并用膠帶在孔中固定線圈，并在另一側粘貼一層Al金屬層后固定在底座上的長方孔中，形成第二基底上設置電極(摩擦件)的固定結構(見圖3)。再切割兩塊長45mm×寬17mm×厚3mm的亞克力板粘在兩塊相對的亞克力板之間來固定這兩塊亞克力板。再將兩根長30mm的彈簧固定在底座上的圓孔。再分別切割一塊長50mm×寬50mm×厚5mm(帶有一個直徑為35mm的圓孔)和兩塊長50mm×寬50mm×厚3mm的亞克力板，將一塊長35mm×寬35mm×厚5mm的磁鐵固定在帶孔的亞克力板上，并用其他兩塊亞克力板將其封裝起來，然后再分別在外側貼上Al金屬層(作為電極)和PTFE摩擦層(作為摩擦件)，并將其放在粘在底座上四塊亞克力板形成的凹槽中，當其受到一定的壓力時，彈簧受力壓縮， 是兩側的摩擦層產生滑動摩擦，并且封裝在亞克力板之間的線圈會切割磁感線，從而產生摩擦電信號和磁電信號。

對上述制備的滑動式復合納米發電機的輸出性能進行測試。對于摩擦發電組件，分別使用Stanford Research System生產的SR570和Keithely生產的6514測量觸點A和B間的電流輸出和電壓輸出，結果分別如圖5中的(a)和圖中5(b)所示,輸出電流為10-12微安，輸出電壓為50-60伏特。對于電磁感應發電組件，使用Keithely生產的6514分別測量輸出端C和D間的電流和電壓輸出，結果分別如圖6中的(a)和圖6中的(b)所示，其中輸出電流約為2.2毫安，輸出電壓約為3伏特。

以上所述，僅是本發明的較佳實施例而已，并非對本發明作任何形式上的限制。任何熟悉本領域的技術人員，在不脫離本發明技術方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術內容對本發明技術方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發明技術方案的內容，依據本發明的技術實質對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發明技術方案保護的范圍內。