一种接触分离式复合纳米发电机的制作方法
一种接触分离式复合纳米发电机的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及本发电技术领域，特别涉及将摩擦效应与磁电效应耦合而成的接触分离式复合纳米发电机。
【背景技术】
[0002]我们在生活中的一举一动都是微小的能源，收集这些微小能源用于小型微电子、纳电子器件的自驱动供电，对节能减排和可持续发展具有重要的科学意义和实用价值。目前，基于摩擦效应的纳米发电机已有较多报道，两个得失电子能力不同的摩擦材料在机械能作用下互相接触分离，在与两个摩擦材料接触设置的电极上会产生电势差，可以在外电路中形成电流输出。但是，现有结构的摩擦发电机的能量转化形式单一，效率不高。
【发明内容】
[0003](一)要解决的技术问题
[0004]本发明的目的在于提供一种基于摩擦效应和磁电效应耦合的接触分离式复合纳米发电机，将机械能通过摩擦发电组件转变为电能的同时，带动电磁感应组件的磁铁部件和线圈部件相对运动产生感生电信号，提高了现有摩擦发电机的转化效率。
[0005]( 二)技术方案
[0006]为解决上述技术问题，本发明提出一种接触分离式复合纳米发电机，包括:摩擦发电组件和电磁感应发电组件；
[0007]其中，所述摩擦发电组件包括:第一发电部件和第二发电部件，其中，第一发电部件包括第一摩擦件以及与第一摩擦件接触设置的第一电极，第二发电部件包括第二摩擦件以及与第二摩擦件接触设置的第二电极；在外力作用下，所述第一发电部件与第二发电部件能够互相接触分离，使所述第一摩擦件与第二摩擦件表面接触分离，所述第一摩擦件与第二摩擦件接触的表面材料存在得失电子能力差异；
[0008]电磁感应发电组件包括:磁铁部件和线圈部件，所述磁铁部件设置在所述第一发电部件上，所述线圈部件设置在所述第二发电部件上；在所述第二部件带动下，所述磁铁部件在所述线圈部件中的磁通量产生变化。
[0009]优选的，所述第一摩擦件和第二摩擦件的材料为绝缘体材料、导体材料或者半导体材料；
[0010]所述绝缘体材料选自甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、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、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯中的一种或几种的叠加。
[0011]优选的，所述第一摩擦件或者第二摩擦件的材料为导体材料，与导体材料接触设置的电极省略。
[0012]优选的，所述线圈部件为平面线圈。
[0013]优选的，所述线圈部件的匝数大于1000匝。
[0014]优选的，所述第一发电部件和第二发电部件之间通过弹性部件连接；
[0015]或者，所述第一发电部件固定，第二发电部件连接在往复运动的其他设备上。
[0016]优选的，所述弹性部件为弹簧。
[0017]优选的，所述弹性部件的可变形范围大于5cm。
[0018]优选的，所述磁铁部件与第一发电部件之间设置第一缓冲层；
[0019]和/或，所述线圈部件与第二发电部件之间设置第二缓冲层。
[0020]优选的，所述第一缓冲层和第二缓冲层的材料为绝缘材料，所述绝缘材料选自聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、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、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯中的一种或几种。
[0021]优选的，所述第一缓冲层和第二缓冲层厚度大于0.5_。
[0022]优选的，所述第一发电部件还包括第一基底，所述第二发电部件还包括第二基底。
[0023]优选的，所述磁铁部件与第一发电部件设置在所述第一基底的同一侧；或者，所述磁铁部件与第一发电部件分别设置在所述第一基底的不同侧；
[0024]所述线圈部件与第二发电部件设置在所述第二基底的同一侧；或者，所述线圈部件与第二发电部件分别设置在所述第二基底的不同侧。
[0025]优选的，所述第一摩擦件、第一电极和磁铁部件均为薄层结构，依次层叠设置；
[0026]第二摩擦件、第二电极和线圈部件均为薄层结构，依次层叠设置。
[0027]优选的，所述第一摩擦件、第一电极、第一缓冲层和磁铁部件均为薄层结构，依次层叠设置；
[0028]所述第二摩擦件、第二电极、第二缓冲层和线圈部件均为薄层结构，依次层叠设置。
[0029]优选的，所述第一摩擦件与第二摩擦件互相接触的表面中，至少一个表面包括微纳纳结构；
[0030]所述微纳结构为纳米线、纳米棒、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球或微米球状结构，以及上述结构形成的阵列。
[0031]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0032]1、本发明的复合纳米发电机，在现有接触式摩擦发电机的基础上，将电磁感应发电组件的磁场部件和线圈部件分别设置在两个能够相对运动的发电部件上，在摩擦发电组件的两个发电部件相互接触和分离过程中，同时带动磁场部件和线圈部件相对运动。因此，第一发电部件和第二发电部件的一次相对运动，可以使摩擦发电组件在摩擦效应作用下产生电信号，同时，线圈部件在电磁感应效应作用下也输出电信号。一次机械运动同时产生了两种电信号，显著提高了纳米发电机的能量转化效率。
[0033]2、摩擦发电组件中的第一摩擦件、第一电极、第二摩擦件、第二电极的材料均为现有的材料，磁铁部件和线圈部件为常用部件，并且价格低廉，本发明的复合纳米发电机结构简单，制备方法简单，材料易于获得，并且结构低廉，有利于在利用机械能转变为电能方面应用推广。
[0034]3、摩擦发电组件中的第一发电部件和第二发电部件之间可以通过弹性部件连接，发电机在压力作用下可以将机械能转变为电能；第一发电部件和第二发电部件也可以分别与不同的设备连接，在两个相对运动设备的带动下相对运动，使发电机将机械能转变为电倉泛。
【附图说明】
[0035]通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于显示出本发明的主旨。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
[0036]图1为接触分离式复合纳米发电机的结构示意图；
[0037]图2和图3为第一发电部件和第二发电部件之间连接方式示意图；
[0038]图4为磁铁部件和第一发电部件设置在第一基底的不同侧，线圈部件和第二发电部件设置在第二基底的不同侧的发电机结构示意图；
[0039]图5为磁铁部件和第一发电部件之间设置第一缓冲层的发电机结构示意图；
[0040]图6为一个具体发电机的摩擦发电组件的输出电信号测量结果；
[0041]图7为一个具体发电机的电磁感应发电组件的输出电信号测量结果。
【具体实施方式】
[0042]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
[0044]本实施例的发电机典型结构参见图1,包括摩擦发电组件和电磁感应发电组件，其中，所述摩擦发电组件包括:第一发电部件1和第二发电部件2，其中，第一发电部件1包括第一摩擦件11以及与第一摩擦件11接触设置的第一电极12，第二发电部件2包括第二摩擦件21以及与第二摩擦件21接触设置的第二电极22 ;在外力F作用下，第一发电部件1与第二发电部件2能够互相接触分离，使第一摩擦件11与第二摩擦件21表面接触分离，第一摩擦件11与第二摩擦件21接触的表面材料存 在得失电子能力差异。电磁感应发电组件包括:磁铁部件31和线圈部件32，其中，磁铁部件31设置在第一发电部件1上，线圈部件32设置在第二发电部件2上；在第一发电部件1和第二发电部件2带动下，磁铁部件31和线圈部件32产生相对运动，在线圈部件32中产生感应电流。本实施例中，磁铁部件31固定设置在第一电极12上，线圈部件32固定设置在第二电极22上。
[0045]当在摩擦发电组件的第一发电部件1或者第二发电部件2施加压力F时，一方面，由于第一摩擦件11和第二摩擦件21材料存在得失电子能力差异，根据摩擦效应，将在两个互相接触的表面聚集不同的电荷，撤去压力F时，第一摩擦件11与第二摩擦件21互相分离，由于正负电荷分离，在第一电极12和第二电极22之间形成电势差，进而对外输出电信号。另一方面，当摩擦发电组件的两个发电部件分离时，带动磁铁部件31和线圈部件32相对运动，使穿过线圈部件32的磁通量变化，根据电磁效应，磁通量的变化将会在线圈部件中产生感生电动势，进而实现对外输出电信号。只要在摩擦发电组件上施加压力F，使第一摩擦件11与第二摩擦件21反复接触分离，第一电极12和第二电极22之间就会对外输出交流电信号；相应的，在线圈部件32中产生感生电信号。本发明的接触分离式复合纳米发电机，可以将一个机械外力通过摩擦发电组件转变为电信号的同时，还可以同时在线圈部件中产生电磁感应的电信号，也就是一次机械运动同时产生两个电信号输出，这样的设计进一步提高了能量转化效率。
[0046]第一发电部件与第二发电部件之间可以有多种连接方式，可以通过弹性部件连接，参见图2，发电机还可以包括第一基底42和第二基底43，第一发电部件设置在第一基底上，第二发电部件设置在第二基底上，第一发电部件与第二发电部件之间通过若干个(例如4个)弹性部件41连接，在外力F作用下使弹性部件压缩使两个发电部件的两个摩擦件互相接触，在弹性部件的回复作用下两个摩擦件互相分离。弹性部件的位置、形状和连接位置应该不影响两个摩擦件互相接触和分离，具体结构不构成对本发明变化范围的限定。
[0047]在其他实施例中也可以将第一发电部件固定，第二发电部件固定在周期性运动的其他部件或者装置上，带动两个发电部件相对运动，使两个发电部件的摩擦件互相接触和分离，参见图3，设置第一发电部件的第一基底42通过连接件44与周期性往复运动的其他装置连接，设置第二发电部件的第二基底43固定设置，当周期性往复运动的其他装置提供外力带动第一发电部件与第二发电部件周期性接触分离，使第一摩擦件11与第二摩擦件21能够周期性接触和分离，使摩擦发电组件的两个电极12和22之间有交流电信号输出，同时电磁感应发电组件的磁铁部件31和线圈部件32在两个发电部件的带动下相对运动，使磁铁部件31在线圈部件32中的磁通量产生变化，在线圈部件32中产生感生电动势，可以在外电路中产生电流输出。摩擦发电组件的两个发电部件之间的连接方式可以根据实际使用条件进行选择，具体连接方式不应作为限制本发明的因素。
[0048]第一基底42和第二基底43可以为柔性材料或者硬性材料，例如可以为玻璃或者亚克力等材料；弹性部件41可以为弹簧或者弹性海绵等弹性材料。另外，由于第一基底42和第二基底43之间通过弹性部件41连接，因此弹性部件41、第一基底42和第二基底43的材料选择需要使第一基底与第二基底之间互相不连通，不会影响摩擦发电组件的两个发电部件之间的电荷流动即可，具体材料的选择不作为对本发明的限定。
[0049]在其它实施例中，弹性部件41也可以连接在第一摩擦件11和第二摩擦件21之间。
[0050]优选地，弹性部件的可变形范围大于5cm，更优选的，弹性部件的可变形范围为5_30cmo
[0051]参见图1，第一摩擦件11和第二摩擦件21可以为薄层结构。相应的，第一电极12和第二电极22也可以为薄层结构。
[0052]本发明中的磁铁部件31可以为钕铁硼、铝镍钴、钐钴、铁氧体等磁铁，优选钕铁硼磁铁，线圈部件31优选平面线圈。优选地，线圈部件的匝数大于1000匝。
[0053]图2中，磁铁部件31固定设置在第一电极12上，第一基底42设置在磁铁部件31上；线圈部件32固定设置在第二电极22上，第二基底43设置在线圈部件32上。磁铁部件31与第一发电部件(及第一摩擦件11和第一电极12)在第一基底42的同一侧，线圈部件32与第二发电部件(即第二摩擦件21和第二电极22)在第二基底43的同一侧。
[0054]在其他实施例中，磁铁部件31可以与第一发电部件设置在第一基底42的不同侧，线圈部件32也可以与第二发电部件设置在第二基底43的不同侧，参见图4，磁铁部件31设置在第一基底42的上表面，第一摩擦件11和第一电极12设置在第一基底42的下表面；线圈部件32设置在第二基底43的下表面，第二摩擦件21和第二电极22设置在第二基底43的上表面。
[0055]摩擦发电组件中，第一摩擦件11和第二摩擦件21互相接触的表面的材料存在得失电子能力差异，可以为半导体、导体和绝缘体材料。优选的，所述绝缘材料为聚合物绝缘材料，可以选自甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、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、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯中的一种或几种的叠加。
[0056]优选地，第一摩擦件11与第二摩擦件21互相接触的表面中，至少一个表面包括微纳纳结构，所述微纳结构可以为纳米线、纳米棒、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及上述结构形成的阵列。优选的，所述纳米线、纳米棒、纳米管、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥等结构可以通过硅模板或刻蚀的方法制作。
[0057]第一摩擦件11与第二摩擦件21中的一个可以为绝缘材料，另一个为导体材料或者半导体材料。第一摩擦件11或第二摩擦件21为导体材料时，与摩擦件接触的电极可以省略。参见图5，第一摩擦件11为导体材料，可以省略第一电极(图2中的第一电极12)，由第一摩擦件11同时充当第一电极。
[0058]另外，对于磁铁部件与第一发电部件设置在第一基底42同一侧的情况，为了防止摩擦发电组件中的第一发电部件与磁铁部件31之间互相干扰，可以在第一发电部件与磁铁部件31之间设置第一缓冲层。参见图5，第一摩擦件11 (同时充当第一电极)与磁铁部件31之间设置缓冲层44，使第一摩擦件11与磁铁部件31互相隔离开。同样，对于线圈部件32与第二发电部件在第二基底43同一侧的情况，也可以在线圈部件32与第二发电部件设置第二缓冲层。在其他实施例中，发电机不包括第一基底和/或第二基底的情况下，在磁铁部件和第一发电部件之间也可以包括第一缓冲层，在线圈部件和第二发电部件之间也可以包括第二缓冲层，缓冲层的作用是保证摩擦发电组件的两个摩擦件在受压时互相接触更紧密，例如，如果摩擦件的表面不太平整，具有弹性的缓冲层可以保证两个接触面紧密贴入口 ο
[0059]第一缓冲层和第二缓冲层的材料优选为绝缘材料，更优选为弹性材料，可以选自聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、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、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯中的一种或几种。优选地，所述的缓冲层厚度大于0.5mm,更优选为0.5mm-5mm。
[0060]优选的，第一摩擦件、第一电极、第一缓冲层和磁铁部件均为薄层结构，依次层叠设置；第二摩擦件、第二电极、第二缓冲层和线圈部件均为薄层结构，依次层叠设置。
[0061]第一电极12和第二电极22可以米用任意的导体材料，优选为金属材料，所述金属材料选自金、钼、铜、铝、银中的一种。
[0062]第一电极12和第二电极22优选地，所述的金属电极层可以直接选用金属薄片，例如铝箔，也可以通过磁控溅射、蒸镀和印刷打印技术在摩擦件表面制备。
[0063]摩擦发电组件的第一电极和第二电极与外电路连接形成回路，优选地，第一电极和第二电极与外电路连接形成回路采取“点-面-点”接触式设计，把较细的电极接到导电银浆面上，再从导电银浆面连接到外电路，避免了两根较细的导线直接连接而结合不良的问题；优选地，所述的面接触采用室温固化导电银浆的方式实现。线圈部 件包括两个连接端口，用于与外电路连接。
[0064]本发明提供的接触分离式复合纳米发电机，摩擦发电组件采取接触分离式设计，可以吸收往复运动的机械能量用于发电。在实际发电时，可以将第一基底(或者第一发电部件)固定，并通过弹簧(即弹性部件)将第一发电部件与第二发电部件分离，机械外力作用在第二基底(或者第二发电部件)时，弹簧被压缩，使第一发电部件的第一摩擦件与第二发电部件的第二摩擦件互相接触，撤去外力时，在弹簧的弹性回复力作用下，第一发电部件的第一摩擦件与第二发电部件的第二摩擦件互相分离，在第一电极和第二电极之间产生电势差，可以在外电路中产生电流输出；同时带动电磁感应发电组件的磁铁部件和线圈部件相对位置变化，使磁铁部件在所述线圈部件中的磁通量产生变化，在线圈部件中产生感生电动势，可以在外电路中产生电流输出。只要在发电机的两端施加周期性的外力，使第一摩擦件与第二摩擦件反复接触分离，就会持续对外输出电信号。一次机械运动的外力可以在摩擦发电组件和电磁感应发电组件中同时产生电信号输出，可以分别与外部用电装置连接，提高了能量转化和利用效率。
[0065]下面以一个具体的发电机为例，说明本发明提供的发电机的工作过程。
[0066]切割两个长50mmX宽50mm带有3mm厚凹槽的亚克力板作为发电机的第一基底和第二基底，并用胶带在两个基底内侧分别固定线圈部件(圆形平面线圈，直径25mm，匝数2600)和磁铁部件(圆形钕铁硼磁铁，直径35mm,厚度3mm)。在线圈部件的表面粘贴3mm厚35mm直径的圆形亚克力板,并在其表面依次粘贴直径为35mm的圆形A1电极和表面带有纳米结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)。在磁铁部件的表面依次粘贴2mm厚的PDMS缓冲层和A1金属层。在两个基底的四角分别固定4根长20cm的弹簧，使表面带有纳米结构的聚二甲基硅氧烷和A1金属层相互分离且相对放置。在摩擦发电组件的两个电极之间串联10个LED灯，在电磁感应发电组件的线圈部件的两个端口并联10个LED灯，当在两个基底外侧施加一定压力时，弹簧受力压缩使聚二甲基硅氧烷和A1金属层互相接触，压力撤去后，弹簧恢复形状，聚二甲基硅氧烷和A1金属层互相分离，在A1金属层与A1电极之间产生摩擦发电信号，在线圈部件的两个端口产生磁电信号，复合纳米发电机可以同时点亮20个LED灯。
[0067]对上述制备的复合纳米发电机的输出性能进行测试。对于摩擦纳米发电组件，使用Stanford Research System生产的SR570测量摩擦发电组件两个电极间的电流输出，结果分别见图6中的a所示，输出电流为10-36微安，使用Keithely生产的6514测量两个电极之间的电压输出，结果见图6中的b，输出电压为250伏特。对于电磁感应发电组件，使用Keithely生产的6514分别测量线圈部件两个端口之间的电流和电压输出，结果见图7中a和b图，其中输出电流约为2.5晕安,输出电压为2伏特。
[0068]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【主权项】
1.一种接触分离式复合纳米发电机，其特征在于，包括: 摩擦发电组件和电磁感应发电组件； 其中，所述摩擦发电组件包括:第一发电部件和第二发电部件，其中，第一发电部件包括第一摩擦件以及与第一摩擦件接触设置的第一电极，第二发电部件包括第二摩擦件以及与第二摩擦件接触设置的第二电极； 在外力作用下，所述第一发电部件与第二发电部件能够互相接触分离，使所述第一摩擦件与第二摩擦件表面接触分离，所述第一摩擦件与第二摩擦件接触的表面材料存在得失电子能力差异； 电磁感应发电组件包括:磁铁部件和线圈部件，所述磁铁部件设置在所述第一发电部件上，所述线圈部件设置在所述第二发电部件上； 在所述第二部件带动下，所述磁铁部件在所述线圈部件中的磁通量产生变化。2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦件和第二摩擦件的材料为绝缘体材料、导体材料或者半导体材料； 所述绝缘体材料选自甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、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、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯中的一种或几种的叠加。3.根据权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦件或者第二摩擦件的材料为导体材料，与导体材料接触设置的电极省略。4.根据权利要求1-3任一项所述的发电机，其特征在于，所述线圈部件为平面线圈。5.根据权利要求4所述的发电机，其特征在于，所述线圈部件的匝数大于1000匝。6.根据权利要求1-5任一项所述的发电机,其特征在于,所述第一发电部件和第二发电部件之间通过弹性部件连接； 或者，所述第一发电部件固定，第二发电部件连接在往复运动的其他设备上。7.根据权利要求6所述的发电机，其特征在于，所述弹性部件为弹簧。8.根据权利要求6所述的发电机，其特征在于，所述弹性部件的可变形范围大于5cm。9.根据权利要求1-8任一项所述的发电机,其特征在于,所述磁铁部件与第一发电部件之间设置第一缓冲层； 和/或，所述线圈部件与第二发电部件之间设置第二缓冲层。10.根据权利要求9所述的发电机，其特征在于，所述第一缓冲层和第二缓冲层的材料为绝缘材料，所述绝缘材料选自聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、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、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯中的一种或几种。11.根据权利要求9所述的发电机，其特征在于，所述第一缓冲层和第二缓冲层厚度大于 0.5mmο12.根据权利要求1-11任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一发电部件还包括第一基底，所述第二发电部件还包括第二基底。13.根据权利要求12所述的发电机，其特征在于，所述磁铁部件与第一发电部件设置在所述第一基底的同一侧；或者，所述磁铁部件与第一发电部件分别设置在所述第一基底的不同侧； 所述线圈部件与第二发电部件设置在所述第二基底的同一侧；或者，所述线圈部件与第二发电部件分别设置在所述第二基底的不同侧。14.根据权利要求1-6任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦件、第一电极和磁铁部件均为薄层结构，依次层叠设置； 第二摩擦件、第二电极和线圈部件均为薄层结构，依次层叠设置。15.根据权利要求9或10所述的发电机,其特征在于，所述第一摩擦件、第一电极、第一缓冲层和磁铁部件均为薄层结构，依次层叠设置； 所述第二摩擦件、第二电极、第二缓冲层和线圈部件均为薄层结构，依次层叠设置。16.根据权利要求9或10所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦件与第二摩擦件互相接触的表面中，至少一个表面包括微纳纳结构； 所述微纳结构为纳米线、纳米棒、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球或微米球状结构，以及上述结构形成的阵列。
【专利摘要】本发明提供的接触分离式复合纳米发电机，包括：摩擦发电组件和电磁感应发电组件；其中，摩擦发电组件的第一发电部件包括第一摩擦件以及与第一摩擦件接触设置的第一电极，第二发电部件包括第二摩擦件以及与第二摩擦件接触设置的第二电极；电磁感应发电组件的磁铁部件设置在第一发电部件上，线圈部件设置在第二发电部件上；在外力作用下，第一摩擦件与第二摩擦件表面接触分离，第一摩擦件与第二摩擦件接触的表面材料存在得失电子能力差异；同时，磁铁部件在线圈部件中的磁通量产生变化。本发明的复合纳米发电机，结构简单，成本低廉，第一发电部件与第二发电部件之间的一次接触和分离的机械运动，可以同时产生两种电信号输出，提高了能量转化效率。
【IPC分类】H02N1/04, H02K35/00
【公开号】CN105490578
【申请号】CN201410472221
【发明人】杨亚, 张克伟, 王中林
【申请人】北京纳米能源与系统研究所
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年9月16日
【技术领域】
[0001]本发明涉及本发电技术领域，特别涉及将摩擦效应与磁电效应耦合而成的接触分离式复合纳米发电机。
【背景技术】
[0002]我们在生活中的一举一动都是微小的能源，收集这些微小能源用于小型微电子、纳电子器件的自驱动供电，对节能减排和可持续发展具有重要的科学意义和实用价值。目前，基于摩擦效应的纳米发电机已有较多报道，两个得失电子能力不同的摩擦材料在机械能作用下互相接触分离，在与两个摩擦材料接触设置的电极上会产生电势差，可以在外电路中形成电流输出。但是，现有结构的摩擦发电机的能量转化形式单一，效率不高。
【发明内容】
[0003](一)要解决的技术问题
[0004]本发明的目的在于提供一种基于摩擦效应和磁电效应耦合的接触分离式复合纳米发电机，将机械能通过摩擦发电组件转变为电能的同时，带动电磁感应组件的磁铁部件和线圈部件相对运动产生感生电信号，提高了现有摩擦发电机的转化效率。
[0005]( 二)技术方案
[0006]为解决上述技术问题，本发明提出一种接触分离式复合纳米发电机，包括:摩擦发电组件和电磁感应发电组件；
[0007]其中，所述摩擦发电组件包括:第一发电部件和第二发电部件，其中，第一发电部件包括第一摩擦件以及与第一摩擦件接触设置的第一电极，第二发电部件包括第二摩擦件以及与第二摩擦件接触设置的第二电极；在外力作用下，所述第一发电部件与第二发电部件能够互相接触分离，使所述第一摩擦件与第二摩擦件表面接触分离，所述第一摩擦件与第二摩擦件接触的表面材料存在得失电子能力差异；
[0008]电磁感应发电组件包括:磁铁部件和线圈部件，所述磁铁部件设置在所述第一发电部件上，所述线圈部件设置在所述第二发电部件上；在所述第二部件带动下，所述磁铁部件在所述线圈部件中的磁通量产生变化。
[0009]优选的，所述第一摩擦件和第二摩擦件的材料为绝缘体材料、导体材料或者半导体材料；
[0010]所述绝缘体材料选自甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、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、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯中的一种或几种的叠加。
[0011]优选的，所述第一摩擦件或者第二摩擦件的材料为导体材料，与导体材料接触设置的电极省略。
[0012]优选的，所述线圈部件为平面线圈。
[0013]优选的，所述线圈部件的匝数大于1000匝。
[0014]优选的，所述第一发电部件和第二发电部件之间通过弹性部件连接；
[0015]或者，所述第一发电部件固定，第二发电部件连接在往复运动的其他设备上。
[0016]优选的，所述弹性部件为弹簧。
[0017]优选的，所述弹性部件的可变形范围大于5cm。
[0018]优选的，所述磁铁部件与第一发电部件之间设置第一缓冲层；
[0019]和/或，所述线圈部件与第二发电部件之间设置第二缓冲层。
[0020]优选的，所述第一缓冲层和第二缓冲层的材料为绝缘材料，所述绝缘材料选自聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、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、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯中的一种或几种。
[0021]优选的，所述第一缓冲层和第二缓冲层厚度大于0.5_。
[0022]优选的，所述第一发电部件还包括第一基底，所述第二发电部件还包括第二基底。
[0023]优选的，所述磁铁部件与第一发电部件设置在所述第一基底的同一侧；或者，所述磁铁部件与第一发电部件分别设置在所述第一基底的不同侧；
[0024]所述线圈部件与第二发电部件设置在所述第二基底的同一侧；或者，所述线圈部件与第二发电部件分别设置在所述第二基底的不同侧。
[0025]优选的，所述第一摩擦件、第一电极和磁铁部件均为薄层结构，依次层叠设置；
[0026]第二摩擦件、第二电极和线圈部件均为薄层结构，依次层叠设置。
[0027]优选的，所述第一摩擦件、第一电极、第一缓冲层和磁铁部件均为薄层结构，依次层叠设置；
[0028]所述第二摩擦件、第二电极、第二缓冲层和线圈部件均为薄层结构，依次层叠设置。
[0029]优选的，所述第一摩擦件与第二摩擦件互相接触的表面中，至少一个表面包括微纳纳结构；
[0030]所述微纳结构为纳米线、纳米棒、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球或微米球状结构，以及上述结构形成的阵列。
[0031]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0032]1、本发明的复合纳米发电机，在现有接触式摩擦发电机的基础上，将电磁感应发电组件的磁场部件和线圈部件分别设置在两个能够相对运动的发电部件上，在摩擦发电组件的两个发电部件相互接触和分离过程中，同时带动磁场部件和线圈部件相对运动。因此，第一发电部件和第二发电部件的一次相对运动，可以使摩擦发电组件在摩擦效应作用下产生电信号，同时，线圈部件在电磁感应效应作用下也输出电信号。一次机械运动同时产生了两种电信号，显著提高了纳米发电机的能量转化效率。
[0033]2、摩擦发电组件中的第一摩擦件、第一电极、第二摩擦件、第二电极的材料均为现有的材料，磁铁部件和线圈部件为常用部件，并且价格低廉，本发明的复合纳米发电机结构简单，制备方法简单，材料易于获得，并且结构低廉，有利于在利用机械能转变为电能方面应用推广。
[0034]3、摩擦发电组件中的第一发电部件和第二发电部件之间可以通过弹性部件连接，发电机在压力作用下可以将机械能转变为电能；第一发电部件和第二发电部件也可以分别与不同的设备连接，在两个相对运动设备的带动下相对运动，使发电机将机械能转变为电倉泛。
【附图说明】
[0035]通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于显示出本发明的主旨。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。此外，以下实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明。
[0036]图1为接触分离式复合纳米发电机的结构示意图；
[0037]图2和图3为第一发电部件和第二发电部件之间连接方式示意图；
[0038]图4为磁铁部件和第一发电部件设置在第一基底的不同侧，线圈部件和第二发电部件设置在第二基底的不同侧的发电机结构示意图；
[0039]图5为磁铁部件和第一发电部件之间设置第一缓冲层的发电机结构示意图；
[0040]图6为一个具体发电机的摩擦发电组件的输出电信号测量结果；
[0041]图7为一个具体发电机的电磁感应发电组件的输出电信号测量结果。
【具体实施方式】
[0042]下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0043]其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。
[0044]本实施例的发电机典型结构参见图1,包括摩擦发电组件和电磁感应发电组件，其中，所述摩擦发电组件包括:第一发电部件1和第二发电部件2，其中，第一发电部件1包括第一摩擦件11以及与第一摩擦件11接触设置的第一电极12，第二发电部件2包括第二摩擦件21以及与第二摩擦件21接触设置的第二电极22 ;在外力F作用下，第一发电部件1与第二发电部件2能够互相接触分离，使第一摩擦件11与第二摩擦件21表面接触分离，第一摩擦件11与第二摩擦件21接触的表面材料存 在得失电子能力差异。电磁感应发电组件包括:磁铁部件31和线圈部件32，其中，磁铁部件31设置在第一发电部件1上，线圈部件32设置在第二发电部件2上；在第一发电部件1和第二发电部件2带动下，磁铁部件31和线圈部件32产生相对运动，在线圈部件32中产生感应电流。本实施例中，磁铁部件31固定设置在第一电极12上，线圈部件32固定设置在第二电极22上。
[0045]当在摩擦发电组件的第一发电部件1或者第二发电部件2施加压力F时，一方面，由于第一摩擦件11和第二摩擦件21材料存在得失电子能力差异，根据摩擦效应，将在两个互相接触的表面聚集不同的电荷，撤去压力F时，第一摩擦件11与第二摩擦件21互相分离，由于正负电荷分离，在第一电极12和第二电极22之间形成电势差，进而对外输出电信号。另一方面，当摩擦发电组件的两个发电部件分离时，带动磁铁部件31和线圈部件32相对运动，使穿过线圈部件32的磁通量变化，根据电磁效应，磁通量的变化将会在线圈部件中产生感生电动势，进而实现对外输出电信号。只要在摩擦发电组件上施加压力F，使第一摩擦件11与第二摩擦件21反复接触分离，第一电极12和第二电极22之间就会对外输出交流电信号；相应的，在线圈部件32中产生感生电信号。本发明的接触分离式复合纳米发电机，可以将一个机械外力通过摩擦发电组件转变为电信号的同时，还可以同时在线圈部件中产生电磁感应的电信号，也就是一次机械运动同时产生两个电信号输出，这样的设计进一步提高了能量转化效率。
[0046]第一发电部件与第二发电部件之间可以有多种连接方式，可以通过弹性部件连接，参见图2，发电机还可以包括第一基底42和第二基底43，第一发电部件设置在第一基底上，第二发电部件设置在第二基底上，第一发电部件与第二发电部件之间通过若干个(例如4个)弹性部件41连接，在外力F作用下使弹性部件压缩使两个发电部件的两个摩擦件互相接触，在弹性部件的回复作用下两个摩擦件互相分离。弹性部件的位置、形状和连接位置应该不影响两个摩擦件互相接触和分离，具体结构不构成对本发明变化范围的限定。
[0047]在其他实施例中也可以将第一发电部件固定，第二发电部件固定在周期性运动的其他部件或者装置上，带动两个发电部件相对运动，使两个发电部件的摩擦件互相接触和分离，参见图3，设置第一发电部件的第一基底42通过连接件44与周期性往复运动的其他装置连接，设置第二发电部件的第二基底43固定设置，当周期性往复运动的其他装置提供外力带动第一发电部件与第二发电部件周期性接触分离，使第一摩擦件11与第二摩擦件21能够周期性接触和分离，使摩擦发电组件的两个电极12和22之间有交流电信号输出，同时电磁感应发电组件的磁铁部件31和线圈部件32在两个发电部件的带动下相对运动，使磁铁部件31在线圈部件32中的磁通量产生变化，在线圈部件32中产生感生电动势，可以在外电路中产生电流输出。摩擦发电组件的两个发电部件之间的连接方式可以根据实际使用条件进行选择，具体连接方式不应作为限制本发明的因素。
[0048]第一基底42和第二基底43可以为柔性材料或者硬性材料，例如可以为玻璃或者亚克力等材料；弹性部件41可以为弹簧或者弹性海绵等弹性材料。另外，由于第一基底42和第二基底43之间通过弹性部件41连接，因此弹性部件41、第一基底42和第二基底43的材料选择需要使第一基底与第二基底之间互相不连通，不会影响摩擦发电组件的两个发电部件之间的电荷流动即可，具体材料的选择不作为对本发明的限定。
[0049]在其它实施例中，弹性部件41也可以连接在第一摩擦件11和第二摩擦件21之间。
[0050]优选地，弹性部件的可变形范围大于5cm，更优选的，弹性部件的可变形范围为5_30cmo
[0051]参见图1，第一摩擦件11和第二摩擦件21可以为薄层结构。相应的，第一电极12和第二电极22也可以为薄层结构。
[0052]本发明中的磁铁部件31可以为钕铁硼、铝镍钴、钐钴、铁氧体等磁铁，优选钕铁硼磁铁，线圈部件31优选平面线圈。优选地，线圈部件的匝数大于1000匝。
[0053]图2中，磁铁部件31固定设置在第一电极12上，第一基底42设置在磁铁部件31上；线圈部件32固定设置在第二电极22上，第二基底43设置在线圈部件32上。磁铁部件31与第一发电部件(及第一摩擦件11和第一电极12)在第一基底42的同一侧，线圈部件32与第二发电部件(即第二摩擦件21和第二电极22)在第二基底43的同一侧。
[0054]在其他实施例中，磁铁部件31可以与第一发电部件设置在第一基底42的不同侧，线圈部件32也可以与第二发电部件设置在第二基底43的不同侧，参见图4，磁铁部件31设置在第一基底42的上表面，第一摩擦件11和第一电极12设置在第一基底42的下表面；线圈部件32设置在第二基底43的下表面，第二摩擦件21和第二电极22设置在第二基底43的上表面。
[0055]摩擦发电组件中，第一摩擦件11和第二摩擦件21互相接触的表面的材料存在得失电子能力差异，可以为半导体、导体和绝缘体材料。优选的，所述绝缘材料为聚合物绝缘材料，可以选自甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、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、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯中的一种或几种的叠加。
[0056]优选地，第一摩擦件11与第二摩擦件21互相接触的表面中，至少一个表面包括微纳纳结构，所述微纳结构可以为纳米线、纳米棒、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构，以及上述结构形成的阵列。优选的，所述纳米线、纳米棒、纳米管、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥等结构可以通过硅模板或刻蚀的方法制作。
[0057]第一摩擦件11与第二摩擦件21中的一个可以为绝缘材料，另一个为导体材料或者半导体材料。第一摩擦件11或第二摩擦件21为导体材料时，与摩擦件接触的电极可以省略。参见图5，第一摩擦件11为导体材料，可以省略第一电极(图2中的第一电极12)，由第一摩擦件11同时充当第一电极。
[0058]另外，对于磁铁部件与第一发电部件设置在第一基底42同一侧的情况，为了防止摩擦发电组件中的第一发电部件与磁铁部件31之间互相干扰，可以在第一发电部件与磁铁部件31之间设置第一缓冲层。参见图5，第一摩擦件11 (同时充当第一电极)与磁铁部件31之间设置缓冲层44，使第一摩擦件11与磁铁部件31互相隔离开。同样，对于线圈部件32与第二发电部件在第二基底43同一侧的情况，也可以在线圈部件32与第二发电部件设置第二缓冲层。在其他实施例中，发电机不包括第一基底和/或第二基底的情况下，在磁铁部件和第一发电部件之间也可以包括第一缓冲层，在线圈部件和第二发电部件之间也可以包括第二缓冲层，缓冲层的作用是保证摩擦发电组件的两个摩擦件在受压时互相接触更紧密，例如，如果摩擦件的表面不太平整，具有弹性的缓冲层可以保证两个接触面紧密贴入口 ο
[0059]第一缓冲层和第二缓冲层的材料优选为绝缘材料，更优选为弹性材料，可以选自聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、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、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯中的一种或几种。优选地，所述的缓冲层厚度大于0.5mm,更优选为0.5mm-5mm。
[0060]优选的，第一摩擦件、第一电极、第一缓冲层和磁铁部件均为薄层结构，依次层叠设置；第二摩擦件、第二电极、第二缓冲层和线圈部件均为薄层结构，依次层叠设置。
[0061]第一电极12和第二电极22可以米用任意的导体材料，优选为金属材料，所述金属材料选自金、钼、铜、铝、银中的一种。
[0062]第一电极12和第二电极22优选地，所述的金属电极层可以直接选用金属薄片，例如铝箔，也可以通过磁控溅射、蒸镀和印刷打印技术在摩擦件表面制备。
[0063]摩擦发电组件的第一电极和第二电极与外电路连接形成回路，优选地，第一电极和第二电极与外电路连接形成回路采取“点-面-点”接触式设计，把较细的电极接到导电银浆面上，再从导电银浆面连接到外电路，避免了两根较细的导线直接连接而结合不良的问题；优选地，所述的面接触采用室温固化导电银浆的方式实现。线圈部 件包括两个连接端口，用于与外电路连接。
[0064]本发明提供的接触分离式复合纳米发电机，摩擦发电组件采取接触分离式设计，可以吸收往复运动的机械能量用于发电。在实际发电时，可以将第一基底(或者第一发电部件)固定，并通过弹簧(即弹性部件)将第一发电部件与第二发电部件分离，机械外力作用在第二基底(或者第二发电部件)时，弹簧被压缩，使第一发电部件的第一摩擦件与第二发电部件的第二摩擦件互相接触，撤去外力时，在弹簧的弹性回复力作用下，第一发电部件的第一摩擦件与第二发电部件的第二摩擦件互相分离，在第一电极和第二电极之间产生电势差，可以在外电路中产生电流输出；同时带动电磁感应发电组件的磁铁部件和线圈部件相对位置变化，使磁铁部件在所述线圈部件中的磁通量产生变化，在线圈部件中产生感生电动势，可以在外电路中产生电流输出。只要在发电机的两端施加周期性的外力，使第一摩擦件与第二摩擦件反复接触分离，就会持续对外输出电信号。一次机械运动的外力可以在摩擦发电组件和电磁感应发电组件中同时产生电信号输出，可以分别与外部用电装置连接，提高了能量转化和利用效率。
[0065]下面以一个具体的发电机为例，说明本发明提供的发电机的工作过程。
[0066]切割两个长50mmX宽50mm带有3mm厚凹槽的亚克力板作为发电机的第一基底和第二基底，并用胶带在两个基底内侧分别固定线圈部件(圆形平面线圈，直径25mm，匝数2600)和磁铁部件(圆形钕铁硼磁铁，直径35mm,厚度3mm)。在线圈部件的表面粘贴3mm厚35mm直径的圆形亚克力板,并在其表面依次粘贴直径为35mm的圆形A1电极和表面带有纳米结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)。在磁铁部件的表面依次粘贴2mm厚的PDMS缓冲层和A1金属层。在两个基底的四角分别固定4根长20cm的弹簧，使表面带有纳米结构的聚二甲基硅氧烷和A1金属层相互分离且相对放置。在摩擦发电组件的两个电极之间串联10个LED灯，在电磁感应发电组件的线圈部件的两个端口并联10个LED灯，当在两个基底外侧施加一定压力时，弹簧受力压缩使聚二甲基硅氧烷和A1金属层互相接触，压力撤去后，弹簧恢复形状，聚二甲基硅氧烷和A1金属层互相分离，在A1金属层与A1电极之间产生摩擦发电信号，在线圈部件的两个端口产生磁电信号，复合纳米发电机可以同时点亮20个LED灯。
[0067]对上述制备的复合纳米发电机的输出性能进行测试。对于摩擦纳米发电组件，使用Stanford Research System生产的SR570测量摩擦发电组件两个电极间的电流输出，结果分别见图6中的a所示，输出电流为10-36微安，使用Keithely生产的6514测量两个电极之间的电压输出，结果见图6中的b，输出电压为250伏特。对于电磁感应发电组件，使用Keithely生产的6514分别测量线圈部件两个端口之间的电流和电压输出，结果见图7中a和b图，其中输出电流约为2.5晕安,输出电压为2伏特。
[0068]以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。
【主权项】
1.一种接触分离式复合纳米发电机，其特征在于，包括: 摩擦发电组件和电磁感应发电组件； 其中，所述摩擦发电组件包括:第一发电部件和第二发电部件，其中，第一发电部件包括第一摩擦件以及与第一摩擦件接触设置的第一电极，第二发电部件包括第二摩擦件以及与第二摩擦件接触设置的第二电极； 在外力作用下，所述第一发电部件与第二发电部件能够互相接触分离，使所述第一摩擦件与第二摩擦件表面接触分离，所述第一摩擦件与第二摩擦件接触的表面材料存在得失电子能力差异； 电磁感应发电组件包括:磁铁部件和线圈部件，所述磁铁部件设置在所述第一发电部件上，所述线圈部件设置在所述第二发电部件上； 在所述第二部件带动下，所述磁铁部件在所述线圈部件中的磁通量产生变化。2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦件和第二摩擦件的材料为绝缘体材料、导体材料或者半导体材料； 所述绝缘体材料选自甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、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、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯中的一种或几种的叠加。3.根据权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦件或者第二摩擦件的材料为导体材料，与导体材料接触设置的电极省略。4.根据权利要求1-3任一项所述的发电机，其特征在于，所述线圈部件为平面线圈。5.根据权利要求4所述的发电机，其特征在于，所述线圈部件的匝数大于1000匝。6.根据权利要求1-5任一项所述的发电机,其特征在于,所述第一发电部件和第二发电部件之间通过弹性部件连接； 或者，所述第一发电部件固定，第二发电部件连接在往复运动的其他设备上。7.根据权利要求6所述的发电机，其特征在于，所述弹性部件为弹簧。8.根据权利要求6所述的发电机，其特征在于，所述弹性部件的可变形范围大于5cm。9.根据权利要求1-8任一项所述的发电机,其特征在于,所述磁铁部件与第一发电部件之间设置第一缓冲层； 和/或，所述线圈部件与第二发电部件之间设置第二缓冲层。10.根据权利要求9所述的发电机，其特征在于，所述第一缓冲层和第二缓冲层的材料为绝缘材料，所述绝缘材料选自聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、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、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯中的一种或几种。11.根据权利要求9所述的发电机，其特征在于，所述第一缓冲层和第二缓冲层厚度大于 0.5mmο12.根据权利要求1-11任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一发电部件还包括第一基底，所述第二发电部件还包括第二基底。13.根据权利要求12所述的发电机，其特征在于，所述磁铁部件与第一发电部件设置在所述第一基底的同一侧；或者，所述磁铁部件与第一发电部件分别设置在所述第一基底的不同侧； 所述线圈部件与第二发电部件设置在所述第二基底的同一侧；或者，所述线圈部件与第二发电部件分别设置在所述第二基底的不同侧。14.根据权利要求1-6任一项所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦件、第一电极和磁铁部件均为薄层结构，依次层叠设置； 第二摩擦件、第二电极和线圈部件均为薄层结构，依次层叠设置。15.根据权利要求9或10所述的发电机,其特征在于，所述第一摩擦件、第一电极、第一缓冲层和磁铁部件均为薄层结构，依次层叠设置； 所述第二摩擦件、第二电极、第二缓冲层和线圈部件均为薄层结构，依次层叠设置。16.根据权利要求9或10所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦件与第二摩擦件互相接触的表面中，至少一个表面包括微纳纳结构； 所述微纳结构为纳米线、纳米棒、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球或微米球状结构，以及上述结构形成的阵列。
【专利摘要】本发明提供的接触分离式复合纳米发电机，包括：摩擦发电组件和电磁感应发电组件；其中，摩擦发电组件的第一发电部件包括第一摩擦件以及与第一摩擦件接触设置的第一电极，第二发电部件包括第二摩擦件以及与第二摩擦件接触设置的第二电极；电磁感应发电组件的磁铁部件设置在第一发电部件上，线圈部件设置在第二发电部件上；在外力作用下，第一摩擦件与第二摩擦件表面接触分离，第一摩擦件与第二摩擦件接触的表面材料存在得失电子能力差异；同时，磁铁部件在线圈部件中的磁通量产生变化。本发明的复合纳米发电机，结构简单，成本低廉，第一发电部件与第二发电部件之间的一次接触和分离的机械运动，可以同时产生两种电信号输出，提高了能量转化效率。
【IPC分类】H02N1/04, H02K35/00
【公开号】CN105490578
【申请号】CN201410472221
【发明人】杨亚, 张克伟, 王中林
【申请人】北京纳米能源与系统研究所
【公开日】2016年4月13日
【申请日】2014年9月16日
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