[发明专利]一种利用摩擦材料形变的接触分离式摩擦纳米发电机

说明书

本发明提供的一种利用摩擦材料形变的接触分离式摩擦纳米发电机，包括相对设置的正极摩擦单元和负极摩擦单元，以及位于正极摩擦单元和负极摩擦单元之间的多个正、负极形变结构；各摩擦单元均分别包括充液腔、填充于充液腔内的导电流体以及由充液腔内引出的电极；在正、负极摩擦单元的充液腔之间形成一空间，多个正、负极形变结构交错设置于该空间内，且各正、负极形变结构的一端分别与正、负极充液腔连通，另一端为自由端；当正、负极摩擦单元的充液腔在外力作用下产生形变时通过其内导电流体的流动分别改变各正、负极形变结构的形状使得相应的正、负极形变结构彼此接触、发生电荷转移。本发明显著增大了摩擦层间的接触面积，以提高输出功率。

技术领域

本发明涉及一种利用弹性摩擦材料形变的接触分离式摩擦纳米发电机，尤其涉及利用弹性摩擦材料受外力作用产生的形变以增大摩擦材料间接触面积，实现高效的电能输出。

背景技术

随着微电子技术、5G技术和材料科学的高速发展，大量先进的分布式传感器开始进入人们的视野，为包括工业、交通、运输、医疗在内的诸多行业带来巨大变革的同时，也让人们的生活焕然一新。在分布式传感器的加持下，智能影音、智能光源和智能家电等智能家居系统使人们的生活更为便捷舒适。然而，分布式传感器通常分散布置，并且需要长时间持续工作。智能家居中的分布式传感器常用电源或电池供电。其中，电源供电使得大量无需用电的家具依赖于电源，限制了智能家居系统的移动，降低了其使用的便利性。而电池存储的能量较为有限，无法支撑分布式传感器进行长时间工作，需要充电的问题也使相关设备的使用存在诸多不便。因此，如何为智能家居系统中的分布式传感器进行持续供能成为了困扰许多研究人员的问题。

在各种智能家居系统中分布式传感器的供能方式中，用接触分离式摩擦纳米发电机(TENG)进行供电具有显著的优势。首先，接触分离式摩擦纳米发电机可以高效地收集日常生活中的低频机械能，并为智能家居系统中的分布式传感器稳定持续供电；其次，接触分离式摩擦纳米发电机结构简单，制造成本较低，利于大规模生产；最后，摩擦纳米发电机易于封装，使用便捷，本身在一定程度上就能起到传感器的作用，反映压力信号。然而，现有接触分离式摩擦纳米发电机的能量收集效率依然较低，有进一步提高的空间。因此，探索一种高效的接触分离式摩擦纳米发电机具有重大的应用价值和实际意义。

在现有的接触分离式摩擦纳米发电机中，普遍采用的是外力直接驱动摩擦层接触分离的结构。摩擦层常为一平面，摩擦层间的接触常为二维平面接触。由于传统摩擦纳米发电机摩擦层的这一结构，现有接触分离式摩擦纳米发电机的摩擦层间接触面积较小，空间利用率较低，输出功率有限。为了提高输出功率，现有的高效接触分离式摩擦纳米发电机常对摩擦层进行表面修饰。然而，这类高效接触分离式摩擦纳米发电机不仅制造困难，在长期使用过程中的性能下降也十分显著。

在柔性机器人/机械手领域中，目前已有多种通过向形变结构填充流体控制部件姿态的方案。然而，这些方案主要利用形变结构的微小形变产生弯曲和/或扭转，以实现抓握i、夹取或蠕动等动作。此外这些方案中所填充的流体主要起到控制相关部件的作用，功能较为单一。

在家居领域中，已存在一些通过填充流体进行姿态调节的产品。然而，相关产品的姿态调节功能仅能在一定程度上提升用户的舒适度，缺乏便捷布置或自身充当传感器，进而向智能家居领域进行拓展的潜力。同时在已有的摩擦纳米发电机中，也并没有采用类似结构的产品。

发明内容