一種提高摩擦發電機輸出強度的方法
【技術領域】
[0001 ] 本發明涉及一種提高摩擦發電機電信號輸出強度的方法。
【背景技術】
[0002]從2012年開始，基于摩擦靜電效應的摩擦發電機得以快速發展，并以其高效的輸出、簡單的工藝、穩定的性能，為機械能轉變為電能來驅動電子器件提供了一種十分具有前景的途徑。但是，現有的摩擦發電機輸出電流普遍偏小，還難以滿足用電器件的供電需求。從摩擦發電機的基本工作原理上來說，其輸出的電壓和電流均正比于摩擦層表面所帶有的摩擦靜電荷密度。因此，提高摩擦發電機輸出功率的一個關鍵途徑就是提高摩擦發電機中的表面靜電荷密度。
[0003]之前的研究都是通過增加摩擦表面的相互接觸面積和相對滑動程度來實現表面電荷的提高，例如在表面進行納米化圖案處理和改變摩擦層接觸結構等方式。但是，這些技術并沒有改變摩擦層材料本身的性質，而材料本身的性質決定了兩個摩擦層之間通過摩擦所能產生的表面靜電荷的限度。這成為摩擦發電機輸出功率密度進一步提高的主要限制因素。
【發明內容】
[0004](一)要解決的技術問題
[0005]本發明所要解決的技術問題是發展一種簡單而實用的方法，將摩擦發電機中摩擦層表面所帶有的電荷密度大幅提高，而以此來提高摩擦發電機的輸出功率密度。
[0006]( 二)技術方案
[0007]為解決上述技術問題，本發明提出一種方法，通過直接將電性相同的離子噴射到摩擦發電機中摩擦層的表面，而使該表面帶上靜電。這種方法可以將靜電直接引入到摩擦表面上，不用受到材料本身性質的限制。為了避免絕緣表面上積累的靜電使得表面附近的空氣被擊穿，需要在摩擦層的背面鍍上一層電極，并在離子注入的時候，保持電極接地。這樣注入的離子就可以吸引反號的電荷從地面流入電極層，而屏蔽所注入的靜電荷在空氣中所產生的電場。利用這種方法，摩擦層表面所帶的電荷密度理論上可以達到對應于所用絕緣層的擊穿場強的大小，因此通過反復地進行離子注入這一過程，可使表面所帶電荷密度達到很高的范圍。
[0008]由于這一方法需要摩擦發電機中帶電摩擦層薄膜的背面附著有電極層，因此這一方法能顯著提高垂直接觸式和平行滑動式這兩種模式的摩擦發電機輸出性能。
[0009](三)有益效果
[0010]本發明方法最突出的優點是靜電引入的過程簡單、直接、可控，操作容易，成本低廉，并且可以有效地大幅提高摩擦發電機的輸出功率密度。
【附圖說明】
[0011]圖1為本發明向摩擦層表面注入離子的方法示意圖；
[0012]圖2為本發明經過處理后的摩擦發電機的工作原理示意圖；
[0013]圖3為實施例1中摩擦發電機經本發明方法處理前后的電信號輸出譜圖；
[0014]圖4為駐極體材料作為摩擦層的情況下，離子注入次數與摩擦層表面電荷密度的關系圖；
[0015]圖5為非駐極體材料作為摩擦層的情況下，離子注入次數與摩擦層表面電荷密度的關系圖；
[0016]圖6為不同摩擦層厚度與摩擦層表面可注入電荷密度的關系。
【具體實施方式】
[0017]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。
[0018]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。
[0019]本發明主要是通過摩擦層表面電荷的增加來提高摩擦發電機的輸出強度，具體包括如下步驟(參見圖1，以注入離子為負電性為例):(1)提供摩擦發電機的第一摩擦層10，其下表面附著有第一電極層11 ; (2)將第一電極層11與等電位電連接；(3)向第一摩擦層的上表面注入具有同種電性的離子；(4)離子注入結束后，斷開第一電極層11與等電位之間的電連接。用通過上述方法處理過的第一摩擦層10和第一電極層11來組裝摩擦發電機，會獲得更高的電信號輸出強度，具體組裝方法如圖2所示(以第一摩擦層10帶負電荷為例):將第一電極層11與第二電極層20通過外電路30連接起來，使第一摩擦層10和第二電極層20面對面并且間隔一定距離，在外力的作用下第一摩擦層10和第二電極層20相互接近，為了平衡電場，電子通過外電路30從第二電極20向第一電極11流動；當第一摩擦層10與第二電極層20的間距進一步縮小直至二者接觸時，第二電極層20上的電荷密度達到最大；當施加反向的外力使第一摩擦層10和第二電極層20分離時，電子又會從第一電極層11向第二電極層20流動，從而形成反向的電流向外輸出；當第一摩擦層10和第二電極層20之間的間距足夠大時(遠大于第一摩擦層10的厚度)，第一電極層11和第一摩擦層10之間的電荷相互平衡，外電路不再有電子流過。以上過程周而復始的重復發生就是摩擦發電機的基本發電原理。可以看出，通過在摩擦層表面注入離子來提高摩擦層表面電荷的密度，會使摩擦發電機在工作過程中能夠轉移的電量顯著增加。雖然此處描述的是第二電極層20直接作為一個摩擦層與第一摩擦層10相互作用，但實際上現有的在第二電極層20的基礎上還含有一個第二摩擦層的情況，以及滑動式摩擦發電機也同樣適用，此處不做贅述。
[0020]以下將對本發明上述方法的每個具體步驟做詳細說明。其中步驟(1)為本發明的方法所針對的對象——背面附著有電極層的摩擦層。雖然背面沒有電極層也能被注入離子，但是本發明人發現，沒有電極層的協助，摩擦層上可注入的離子量相對較少。對于摩擦發電機輸出信號的增強不是特別明顯。因此，最好是使用背面附著有電極層的摩擦層。至于電極層的附著方法可以參照本領域的常規技術，例如蒸鍍、沉積等等，只要使二者能夠緊密結合即可。
[0021]對于第一摩擦層10，最好使用絕緣材料或駐極體材料，以便對注入的離子具有良好的保有性能。能夠用于制造摩擦發電機的各種絕緣材料均可使用，例如有機聚合物材料、橡膠等。更優選使用駐極體材料，這樣向摩擦發電機所引入的超高表面靜電荷密度就可以保持長期存在，從而提高摩擦發電機的輸出穩定性。
[0022]對于垂直接觸式摩擦發電機，當兩個表面從緊密接觸的狀態剛剛分開而具有很小的間隙時，在這個空氣間隙內會形成一個很強的電場，而有可能導致空氣的瞬時擊穿。由于所形成的這個電場和第一摩擦層10表面的靜電荷密度成正比，因此使得可以穩定存在的表面靜電荷密度具有一個上限。而這一上限值一最大電荷密度，和第一摩擦層10的厚度存在反向關系。因此，為了通過離子注入法使得接觸式摩擦發電機達到盡可能大的輸出功率密度，其中的第一摩擦層10應具有盡可能薄的厚度，優選在500微米以下，更優選在50微米以下，尤其是1微米以下。為了增大摩擦層的表面積，還可以對其進行物理或化學改性，使其表面分布有微米級或次微米量級的微結構，從而可以攜帶更多的表面電荷。
[0023]第一電極層11只要是導電材料即可，例如金屬、氧化銦錫(ΙΤ0)或有機導電材料，優選為金屬材料。其厚度對本發明的方法沒有影響，可以根據摩擦發電機的需求