[发明专利]一种3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置

说明书

本发明公开了一种3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置，包括基于3D打印技术制作的波浪状弹性基底及粘附于波浪状弹性基底上由相对设置的第一摩擦单元和第二摩擦单元构成的摩擦发电单元，其中波浪状弹性基底设计制作时通过CAD软件设计制作，再经切片软件进行处理以获得程序代码，最后导入到3D打印机中进行打印制作形成由多个波浪形板逐层连接形成的波浪状弹性基底。本发明所述的3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置中弹性基底的制作方式上，从设计到制作均采用数字化技术实现，这对于实现个性化定制设计、批量化生产制作，实现摩擦发电装置的产业化应用推广具有非常重要的意义。

技术领域

本发明属于摩擦发电机技术领域，具体涉及一种3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置。

背景技术

3D打印作为一种典型数字化前沿技术，近几年随着3D打印技术的不断提升，各种不同功能3D打印机的不断创新，可打印材料不断扩充等因素，3D打印已广泛应用的军工、生物医疗、机械工业制造、人工智能、柔性电子设备制作等领域，并且其在数字化加工制作个性化复杂结构方面的具有无可替代的绝对优势。

近年来，在柔性、可穿戴、小型化的电源装置和基于纳米发电机的自驱动系统引起了广大科研工作者极大的研究兴趣，其中能量采集/转换装置与储能装置成为最具前景的自驱动能量供应系统之一，然而作为自驱动系统核心部件的摩擦纳米发电装置在结构稳定性、耐用性、输出特性、能量转化效率、批量化加工制作的可行性等方便普遍存在一些问题需要进一步完善提升。

3D打印技术与摩擦纳米发电机这种能量收集/转换创新性技术相结合，对实现摩擦发电装置数字化批量生产提供了非常有前景的方案，对构建结构稳定、经久耐用、输出特性高的个性化摩擦纳米发电机提供更有效的加工制造方式，将加速摩擦纳米发电机的实用化应用进程。

发明内容

为了解决现有技术的不足，本发明提出了一种3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置，这种结构的波浪状弹性基底采用数字化3D打印技术通过柔性耗材一次性打印制作，由于柔性材料自身的弹性和波浪状弹性基底的合理设计，这种3D打印的便携式波浪式多层摩擦发电装置具有良好的回弹特性并且轻便易携带，容易实现内部摩擦层的充分接触分离进行发电，并且以数字化3D打印技术进行制作，可实现高精度、易于批量化制作、成本低廉、材料经久耐用、结构抗疲劳能力强、个性化程度高、输出特性高、转化效率高等优势。

本发明为解决上述技术问题采用如下技术方案，一种3D打印的便携式波浪状多层柔性摩擦发电装置，其特征在于包括基于3D打印技术制作的波浪状弹性基底及粘附于波浪状弹性基底上由相对设置的第一摩擦单元和第二摩擦单元构成的摩擦发电单元，其中波浪状弹性基底设计制作时通过CAD软件设计制作，再经切片软件进行处理以获得程序代码，最后导入到3D打印机中进行打印制作形成由多个波浪形板逐层连接形成的波浪状弹性基底，其对应的曲面结构和成型尺寸经过不断尝试修正获得弹性较好的结构，波浪状弹性基底相邻曲面结构的相对侧分别设有第一摩擦单元和第二摩擦单元，第一摩擦单元包括粘附于曲面结构上的背电极和粘附于背电极上的第一摩擦层或者包括粘附于曲面结构上的第一摩擦层，第二摩擦单元包括粘附于曲面结构上的背电极及粘附于背电极上的第二摩擦层，第一摩擦层和第二摩擦层相对设置且大小相同。

优选的，所述第一摩擦层与第二摩擦层是两种介电常数相差较大的薄膜材料，由于两种材料对电子的束缚能力不同，所以当第一摩擦层与第二摩擦层接触时，对电子束缚能力较强的材料摩擦后表面聚集大量负电荷，对电子束缚能力较弱的材料因失去电子而聚集大量正电荷，致使第一摩擦层与第二摩擦层对应的背电极之间存在电势差，当连通两电极时为了达到电势平衡而产生电流。

优选的，所述波浪状弹性基底对应的曲面结构尺寸大小、弹性基底的厚度以及曲面结构的弹性强度均能够依据受力环境的大小做出相应调整。

优选的，所述波浪状弹性基底的打印材料选用具有良好回弹特性的热塑性聚氨酯弹性体橡胶（TPU）、热塑性弹性体（TPE）或可打印的弹性树脂制得。