一種基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)，主要包括：相對(duì)放置的第一摩擦板、第二摩擦板、以及用于固定兩塊摩擦板的彈性端架。其中第一摩擦板，主要由第一基板、第一電極以及第一介電薄膜組成；第二摩擦板，主要包括氧化鋅微球陣列、帶金字塔微結(jié)構(gòu)的第二介電薄膜、第二電極以及第二基板。本發(fā)明摩擦發(fā)電機(jī)能夠?qū)C(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制備簡(jiǎn)便、成本低廉等特點(diǎn)，并使得摩擦發(fā)電機(jī)具有更高的電性能輸出。
【專利說(shuō)明】
一種基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)電領(lǐng)域，具體涉及摩擦發(fā)電、納米材料等，尤其涉及一種基于氧化鋅微球陣列修飾的將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的摩擦發(fā)電機(jī)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，能源危機(jī)問(wèn)題日益凸顯，圍繞新能源開發(fā)、可重復(fù)利用再生能源的研究正在世界各地如火如荼地進(jìn)行著。利用材料本身對(duì)電荷吸附能力的不同而產(chǎn)生的摩擦起電效應(yīng)被廣泛應(yīng)用在新型的摩擦發(fā)電機(jī)中，以將機(jī)械能轉(zhuǎn)換成電能。采用摩擦技術(shù)構(gòu)建的能量收集和轉(zhuǎn)換裝置，在自供電納米系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用。并且，由于其具備環(huán)保、成本低、自驅(qū)動(dòng)等特性，受到了廣泛關(guān)注。通常，摩擦發(fā)電機(jī)包括上電極和下電極兩個(gè)關(guān)鍵部件，由于上、下電極對(duì)電荷吸附能力的不同，當(dāng)上下電極在接觸和分離兩個(gè)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行變換的時(shí)候，就會(huì)在上下電極產(chǎn)生電荷，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換。在此類器件中，電極材料的特性以及電極材料的表面形貌對(duì)發(fā)電的性能有著至關(guān)重要的作用。因此，選擇恰當(dāng)?shù)碾姌O材料并對(duì)電極表面進(jìn)行合理修飾是提高摩擦發(fā)電機(jī)輸出性能的重要研究方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明的目的是提供一種材料表面微修飾的方法，從而提高摩擦發(fā)電機(jī)的電性能輸出，提高機(jī)械能至電能的轉(zhuǎn)換效率，并為微型電子器件供電。
[0004]為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下手段:一種基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于:包括相對(duì)放置的在上的第一摩擦板、在下的第二摩擦板，以及固定在二摩擦板兩端的的彈性端架;兩塊摩擦板的位置可以互換;第一摩擦板主要由第一基板2、置于第一基板上的第一電極3、以及敷于第一電極上的第一介電層薄膜5組成;第二摩擦板包含第二基板9、置于第二基板上的第二電極7、敷于第二電極上的帶金字塔微結(jié)構(gòu)第二介電層薄膜8，第二介電薄膜金字塔頂上置有氧化鋅ZnO微球陣列修飾。
[0005]所述具有氧化鋅微球陣列的摩擦發(fā)電機(jī)采用如下的步驟進(jìn)行修飾修飾和制備:
51、通過(guò)掩膜曝光及濕法刻蝕的方式在硅基底上制作倒金字塔的模具，所述硅基底的晶型為100或111;
52、用三甲基氯硅烷對(duì)SI所得硅模具進(jìn)行硅烷化處理；
53、以質(zhì)量比為3:1配制PDMS膠體，并將膠體附與S2所得的具有倒金字塔結(jié)構(gòu)的硅模具上，并在45 °C條件下烘烤8小時(shí)；
54、將S3所得的PDMS薄膜與硅基底剝離；
55、在S4所得的具有金字塔結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜表面鍍一層約10nm厚的ZnO作為種子層；
56、將S5所得的薄膜浸入濃度為0.1M的硝酸鋅和烏洛托品的混合溶液，85°C靜置12小時(shí)；
57、將S6所得薄膜無(wú)金字塔結(jié)構(gòu)的一面貼于第二電極后，將第一電極固定在第二基板上； 58、將第一介電層薄膜材料貼于第一電極后，固定在第一基板上；
59、第一基板與第二基板相對(duì)放置，通過(guò)固定在基板兩端的彈性端架控制基板在完全分離的狀態(tài)時(shí)有一定的間隙。
[0006]本發(fā)明基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)，在外力作用下，第一摩擦板與第二摩擦板發(fā)生相對(duì)位移，由分離狀態(tài)變?yōu)榻佑|狀態(tài)；當(dāng)外力撤除，基板在彈性端架回復(fù)力的作用下，由接觸狀態(tài)恢復(fù)到初始的分離狀態(tài)，如此循環(huán)。由于不同介電層對(duì)電荷吸附能力的不同，在接觸和分離時(shí)，由靜電效應(yīng)產(chǎn)生的電荷通過(guò)第一電極和第二電極引出，從而實(shí)現(xiàn)發(fā)電功能。
[0007]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的有益效果在于:
(I)本發(fā)明提出了一種新型的材料表面修飾方法，在金字塔微結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了氧化鋅微球的二次修飾，結(jié)構(gòu)新穎。
[0008](2)對(duì)于采用氧化鋅微球陣列作為發(fā)電機(jī)的接觸面，不但可以增加接觸面積，而且氧化鋅微球陣列與導(dǎo)電面的滑動(dòng)增強(qiáng)發(fā)電機(jī)的摩擦起電效果，同時(shí)由于氧化鋅具有壓電性，雜化了壓電效應(yīng)、接觸起電效應(yīng)和摩擦起電效應(yīng)，從而大大地提高了發(fā)電機(jī)的輸出功率。
[0009](3)本發(fā)明的發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制備簡(jiǎn)便、成本低廉等特點(diǎn)，并使得摩擦發(fā)電機(jī)具有更高的電性能輸出。
【附圖說(shuō)明】
[0010]通過(guò)附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢(shì)將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實(shí)際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點(diǎn)在于示出本發(fā)明的主旨。
[0011 ]圖1為本發(fā)明發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0012]圖2為具有金字塔結(jié)構(gòu)及氧化鋅微球修飾的PDMS薄膜表面形貌經(jīng)3000倍放大后的掃描電子顯微鏡圖譜。
[0013]圖3為本發(fā)明的開路電壓測(cè)量結(jié)果。
[0014]圖4為本發(fā)明的短路電流測(cè)量結(jié)果。
[0015]圖5為本發(fā)明發(fā)電機(jī)工作時(shí)點(diǎn)亮LED照片。
[0016]圖中:1_彈性端架(左)；2_第一基板;3-第一電極;4-氧化鋅微球;5-第一介電層薄膜;6-彈性端架(右);7-第二電極;8-第二介電層薄膜;9-第二基板。
【具體實(shí)施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。
[0018]如附圖1所示，本發(fā)明為一種基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)，其中:第一基板2的功能是固定第一電極3和第一介電層薄膜5;第二基板9的功能是固定第二電極7和第二介電層薄膜8，并通過(guò)固定在基板(2和9)兩端的彈性端架(I和6)為發(fā)電機(jī)的摩擦運(yùn)動(dòng)提供一個(gè)回復(fù)力。
[0019]第一基板2和第二基板9具有一定機(jī)械強(qiáng)度和厚度，主要是載體功能，可選用強(qiáng)度硬度較好、易加工的亞克力板;第一電極3和第二電極7可選用鋁箔、銅箔等導(dǎo)電材料;其中第二介電層主要包括具有金字塔微結(jié)構(gòu)的roMS薄膜以及在金字塔塔尖的氧化鋅微球4;第一介電層薄膜5主要選用與所述第二介電層摩擦電極序相差較大的介電材料。
[0020]本發(fā)明中所述的“摩擦電極序”，是指根據(jù)材料對(duì)電荷吸附能力的不同，將其進(jìn)行的排序，當(dāng)兩種材料的摩擦電極序不一樣時(shí)，在相互接觸的瞬間，在接觸面上會(huì)有正電荷從摩擦電極序中極性較負(fù)的材料表面轉(zhuǎn)移至摩擦電極序中極性較正的材料表面。本發(fā)明的發(fā)電機(jī)中，第一介電層和第二介電層的材料選擇，只要滿足:第一介電層材料與第二介電層材料存在摩擦電極序差異即可，如果摩擦電極序相差越大，發(fā)電機(jī)所得到電性能輸出也會(huì)越大。
[0021]所述摩擦發(fā)電機(jī)的具體工作原理:第一基板2與第二基板9的初始狀態(tài)是分離狀態(tài)，在外力作用下，第一基板2與第二基板9發(fā)生相對(duì)移動(dòng)，由分離狀態(tài)變?yōu)榻佑|狀態(tài);此過(guò)程，第一介電層薄膜5和第二介電層薄膜8相互接觸，由于兩種介電材料吸附電荷的能力不一樣，使得在介電層的相互接觸的一面產(chǎn)生電荷吸引，出現(xiàn)電荷層；由于第一介電層薄膜5和第二介電層薄膜8的材料在摩擦電極序中的位置不同，在第一介電層薄膜5表面和第二介電層薄膜8表面將分別產(chǎn)生兩種電量大小相同、極性相反的電荷；由于靜電吸附作用會(huì)在第一電極層3和第二電極7之間產(chǎn)生電勢(shì)差，為實(shí)現(xiàn)靜電平衡，電子通過(guò)外接導(dǎo)線從第一介電層流入第二介電層，從而在外電路出現(xiàn)瞬時(shí)電流。當(dāng)外力撤除，第一基板2和第二基板9在彈性端架(I和6)回復(fù)力的作用下逐漸分離，第一介電層(5)和第二介電層薄膜8之間的縫隙逐漸增大，此時(shí)由第一電極層3和第一介電層薄膜5所構(gòu)成的整體具有凈剩電荷，而第二電極7和第二介電層(8)所構(gòu)成的整體具有與之對(duì)應(yīng)的極性相反電量相等的凈剩電荷，因此在第一電極層3和第二電極7之間產(chǎn)生了電勢(shì)差。為平衡該電勢(shì)差，電子通過(guò)外接導(dǎo)線由第一電極層3流入\流出第二電極7，從而在外電路產(chǎn)生由第一電極到第二電極層的瞬時(shí)電流。重復(fù)上述接觸和分離的過(guò)程，通過(guò)第一介電層薄膜5和第二介電層薄膜8的不斷接觸和分離，分別產(chǎn)生方向相反的脈沖電流，從而實(shí)現(xiàn)在第一電極層(3)和第二電極層8之間的脈沖發(fā)電功會(huì)K。
[0022]通過(guò)實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)?shù)谝唤殡妼颖∧?與第二介電層薄膜8材料的吸附電荷能力相差越大(即在摩擦電極序中的位置相差越遠(yuǎn))時(shí)，發(fā)電機(jī)輸出的電信號(hào)越強(qiáng)。所以，可以根據(jù)實(shí)際需要，選擇合適的材料來(lái)制備第一介電層薄膜5和第二介電層薄膜8以獲得更好的輸出效果O
[0023]本發(fā)明制備具有氧化鋅微球陣列的摩擦發(fā)電機(jī)包括以下步驟:
51、通過(guò)掩膜曝光及濕法刻蝕的方式在硅基底上制作倒金字塔的模具，所選硅基底的晶型為100或111;
52、用三甲基氯硅烷對(duì)SI所得硅模具進(jìn)行硅烷化處理，主要是用三甲基氯硅烷對(duì)SI所得硅模具進(jìn)行氣相硅烷化處理Sh;
53、以質(zhì)量比為3:1配制PDMS膠體，并將膠體附與S2所得的具有倒金字塔結(jié)構(gòu)的硅模具上，并在45°C條件下烘烤8小時(shí)，所選3:1的比例為較優(yōu)比例，另可選2:1，4:1，5:1等；
54、將S3所得的PDMS薄膜與硅基底剝離，在剝離之前，先O°C冷凍處理30分鐘；
55、在S4所得的具有金字塔結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜表面鍍一層的ZnO作為種子層，可采用蒸鍍或磁控濺射鍍膜的方式，種子層厚度優(yōu)選為10nm;
56、將S5所得的薄膜浸入濃度為0.1M的硝酸鋅和烏洛托品的混合溶液，85°C靜置12小時(shí)；
57、將S6所得薄膜無(wú)金字塔結(jié)構(gòu)的一面貼于第二電極后，將第二電極固定在第二基板上；
58、將第一介電層薄膜材料貼于第一電極后，固定在第一基板上；
59、第一基板與第二基板相對(duì)放置，通過(guò)固定在基板兩端的彈性端架控制基板在完全分離的狀態(tài)時(shí)有一定的間隙，所述間隙優(yōu)選為2?5毫米。
[0024]以下簡(jiǎn)述本發(fā)明發(fā)電機(jī)在實(shí)際使用中的具體工作過(guò)程:
通過(guò)控制線性馬達(dá)做周期性往返運(yùn)動(dòng)，使摩擦發(fā)電機(jī)隨線性馬達(dá)一起實(shí)現(xiàn)接觸和分離狀態(tài)的周期性循環(huán)，對(duì)本實(shí)施例中的基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)進(jìn)行了開路電壓和短路電流的測(cè)量，結(jié)果分別如圖3和圖4所示，其中圖3為基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)在線性馬達(dá)作用下的開路電壓測(cè)量結(jié)果，圖4為基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)在線性馬達(dá)作用下的短路電流測(cè)量結(jié)果。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看到，基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)的開路電壓具有約57伏特的峰峰值變化范圍。而短路電流的電流密度的峰值達(dá)到了55毫安每平方米。本實(shí)施例中，將外形尺寸為3厘米X2厘米的發(fā)電機(jī)的用于機(jī)械能的收集，在無(wú)任何整流電路及儲(chǔ)能元件的情況下，其輸出可點(diǎn)亮30個(gè)LED，如圖5所不O
[0025]發(fā)明人的研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，在本發(fā)明各實(shí)施例的基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)在實(shí)際工作當(dāng)中，外加負(fù)載的電阻值對(duì)實(shí)際輸出功率有很大的影響。隨著負(fù)載電阻值的增大，負(fù)載兩端的電壓增大，通過(guò)負(fù)載的電流減小，而實(shí)際輸出功率先增大后減小，并出現(xiàn)極大值。本發(fā)明人經(jīng)過(guò)多次實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，輸出功率極大值所對(duì)應(yīng)的電阻值在兆歐量級(jí)，因此，本發(fā)明在負(fù)載的電阻值為兆歐量級(jí)的情況下能夠最大程度發(fā)揮其功效。需要說(shuō)明的是，本文中使用的“輸出功率”，是指脈沖電流的極大值和在負(fù)載兩端形成的脈沖電壓的極大值的乘積，即瞬時(shí)極大功率。
[0026]本發(fā)明發(fā)電機(jī)輸出的電信號(hào)為交流脈沖電信號(hào)。發(fā)電機(jī)輸出的脈沖電信號(hào)，不僅可以作為脈沖電源直接應(yīng)用于電化學(xué)等領(lǐng)域，還可以儲(chǔ)能元件，如超級(jí)電容器或者鋰離子電池等充電，所儲(chǔ)存的電能可為便攜式小型電子設(shè)備提供電能。
[0027]本發(fā)明的發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制備方法簡(jiǎn)單，成本低，易于實(shí)現(xiàn)大面積制備，對(duì)材料無(wú)特殊要求，發(fā)電效率高，具有廣泛的應(yīng)用前景。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于:包括相對(duì)放置的在上的第一摩擦板、在下的第二摩擦板，以及固定在二摩擦板兩端的的彈性端架;兩塊摩擦板的位置可以互換;第一摩擦板主要由第一基板(2)、置于第一基板上的第一電極(3)、以及敷于第一電極上的第一介電層薄膜(5)組成;第二摩擦板包含第二基板(9)、置于第二基板上的第二電極(7)、敷于第二電極上的帶金字塔微結(jié)構(gòu)第二介電層薄膜(8)，第二介電薄膜金字塔頂上置有氧化鋅ZnO微球陣列修飾； 所述具有氧化鋅微球陣列的摩擦發(fā)電機(jī)采用如下的步驟進(jìn)行修飾修飾和制備: 51、通過(guò)掩膜曝光及濕法刻蝕的方式在硅基底上制作倒金字塔的模具，所述硅基底的晶型為100或111; 52、用三甲基氯硅烷對(duì)SI所得硅模具進(jìn)行硅烷化處理； 53、以質(zhì)量比為3:1配制聚二甲基硅氧烷PDMS膠體，并將膠體附與S2所得的具有倒金字塔結(jié)構(gòu)的硅模具上，并在45°C條件下烘烤8小時(shí)； 54、將S3所得的PDMS薄膜與硅基底剝離； 55、在S4所得的具有金字塔結(jié)構(gòu)的PDMS薄膜表面鍍一層約10nm厚的ZnO作為種子層； 56、將S5所得的薄膜浸入濃度為0.1M的硝酸鋅和烏洛托品的混合溶液，85 °C靜置12小時(shí)； 57、將S6所得薄膜無(wú)金字塔結(jié)構(gòu)的一面貼于第二電極后，將第一電極固定在第二基板上； 58、將第一介電層薄膜材料貼于第一電極后，固定在第一基板上； 59、第一基板與第二基板相對(duì)放置，通過(guò)固定在基板兩端的彈性端架控制基板在完全分離的狀態(tài)時(shí)有一定的間隙。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，帶金字塔微結(jié)構(gòu)的第二介電薄膜作為介電層之一，并采用氧化鋅微球陣列進(jìn)行二次修飾，且氧化鋅微球位于金字塔的塔尖。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，用于修飾的氧化鋅微球的優(yōu)選尺寸為3?8微米。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第二介電薄膜優(yōu)選材料為聚二甲基硅氧烷PDMS。5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述第一介電層和第二介電層的厚度優(yōu)選為0.02?0.5毫米。6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述各基板為具有一定機(jī)械強(qiáng)度的絕緣平板，優(yōu)選為厚度為2?5毫米的亞克力板。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于氧化鋅微球陣列修飾的摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述導(dǎo)電電極材料選自金屬、合金或?qū)щ娧趸?，?yōu)選為金、銀、鋁、銅或氧化銦錫。
【文檔編號(hào)】H02N1/04GK105827138SQ201610363710
【公開日】2016年8月3日
【申請(qǐng)日】2016年5月25日
【發(fā)明人】鄧維禮, 楊維清, 張海濤, 靳龍, 張彬彬, 毛林, 蘇海
【申請(qǐng)人】西南交通大學(xué)