[發明專利]一種利用摩擦材料形變的接觸分離式摩擦納米發電機

有效

• 申請號: 202011016224.3
• 申請日: 2020-09-24
• 公開（公告）號: CN112134485B
• 公開（公告）日: 2021-10-12
• 發明（設計）人: 程嘉;唐睿杰;王昭政;季林紅;路益嘉
• 申請（專利權）人: 清華大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04
• 代理公司: 北京清亦華知識產權代理事務所(普通合伙) 11201
• 代理人: 廖元秋

本發明提供的一種利用摩擦材料形變的接觸分離式摩擦納米發電機，包括相對設置的正極摩擦單元和負極摩擦單元，以及位于正極摩擦單元和負極摩擦單元之間的多個正、負極形變結構；各摩擦單元均分別包括充液腔、填充于充液腔內的導電流體以及由充液腔內引出的電極；在正、負極摩擦單元的充液腔之間形成一空間，多個正、負極形變結構交錯設置于該空間內，且各正、負極形變結構的一端分別與正、負極充液腔連通，另一端為自由端；當正、負極摩擦單元的充液腔在外力作用下產生形變時通過其內導電流體的流動分別改變各正、負極形變結構的形狀使得相應的正、負極形變結構彼此接觸、發生電荷轉移。本發明顯著增大了摩擦層間的接觸面積，以提高輸出功率。

技術領域

本發明涉及一種利用彈性摩擦材料形變的接觸分離式摩擦納米發電機，尤其涉及利用彈性摩擦材料受外力作用產生的形變以增大摩擦材料間接觸面積，實現高效的電能輸出。

背景技術

隨著微電子技術、5G技術和材料科學的高速發展，大量先進的分布式傳感器開始進入人們的視野，為包括工業、交通、運輸、醫療在內的諸多行業帶來巨大變革的同時，也讓人們的生活煥然一新。在分布式傳感器的加持下，智能影音、智能光源和智能家電等智能家居系統使人們的生活更為便捷舒適。然而，分布式傳感器通常分散布置，并且需要長時間持續工作。智能家居中的分布式傳感器常用電源或電池供電。其中，電源供電使得大量無需用電的家具依賴于電源，限制了智能家居系統的移動，降低了其使用的便利性。而電池存儲的能量較為有限，無法支撐分布式傳感器進行長時間工作，需要充電的問題也使相關設備的使用存在諸多不便。因此，如何為智能家居系統中的分布式傳感器進行持續供能成為了困擾許多研究人員的問題。

在各種智能家居系統中分布式傳感器的供能方式中，用接觸分離式摩擦納米發電機(TENG)進行供電具有顯著的優勢。首先，接觸分離式摩擦納米發電機可以高效地收集日常生活中的低頻機械能，并為智能家居系統中的分布式傳感器穩定持續供電；其次，接觸分離式摩擦納米發電機結構簡單，制造成本較低，利于大規模生產；最后，摩擦納米發電機易于封裝，使用便捷，本身在一定程度上就能起到傳感器的作用，反映壓力信號。然而，現有接觸分離式摩擦納米發電機的能量收集效率依然較低，有進一步提高的空間。因此，探索一種高效的接觸分離式摩擦納米發電機具有重大的應用價值和實際意義。

在現有的接觸分離式摩擦納米發電機中，普遍采用的是外力直接驅動摩擦層接觸分離的結構。摩擦層常為一平面，摩擦層間的接觸常為二維平面接觸。由于傳統摩擦納米發電機摩擦層的這一結構，現有接觸分離式摩擦納米發電機的摩擦層間接觸面積較小，空間利用率較低，輸出功率有限。為了提高輸出功率，現有的高效接觸分離式摩擦納米發電機常對摩擦層進行表面修飾。然而，這類高效接觸分離式摩擦納米發電機不僅制造困難，在長期使用過程中的性能下降也十分顯著。

在柔性機器人/機械手領域中，目前已有多種通過向形變結構填充流體控制部件姿態的方案。然而，這些方案主要利用形變結構的微小形變產生彎曲和/或扭轉，以實現抓握i、夾取或蠕動等動作。此外這些方案中所填充的流體主要起到控制相關部件的作用，功能較為單一。

在家居領域中，已存在一些通過填充流體進行姿態調節的產品。然而，相關產品的姿態調節功能僅能在一定程度上提升用戶的舒適度，缺乏便捷布置或自身充當傳感器，進而向智能家居領域進行拓展的潛力。同時在已有的摩擦納米發電機中，也并沒有采用類似結構的產品。

發明內容