一种3D打印的柔性书页结构摩擦纳米发电机

一种3d打印的柔性书页结构摩擦纳米发电机
技术领域
1.本发明涉及摩擦发电机技术领域，具体为一种3d打印的柔性书页结构摩擦纳米发电机。


背景技术：

2.以化石燃料为主的传统能源在促进人类社会进步的同时也造成了许多不可逆的环境问题。且化石燃料储量有限，开采成本日趋高昂，因此开发绿色、廉价、可持续的供能方式成为新型能源研究的重点。目前新能源种类颇多，摩擦纳米发电机作为其中一种，应用场景十分广泛，可有效将环境中的闲散机械能转化为电能，尤其在低频激励时有独特优势，对新型能源多维度、立体化发展有着重要意义。
3.摩擦纳米发电机兼具供能、传感双重属性，目前已经被应用于多个领域，过往的摩擦纳米发电机结构往往使用车削、激光切割等减材制造手段加工，造成了原材料的大量浪费，且无法实现特殊结构的加工。3d打印技术以零原材料浪费、高精度、高自由度著称，使用3d打印技术制造摩擦纳米发电机可有效实现其复杂结构的构建并减少原材料的浪费。同时，丰富多样的原材料有效改善了摩擦纳米发电机的物理性能，从而增强其环境适应性。
4.然而现有的摩擦纳米发电机仍存在一些技术不足之处，其难以实现多个摩擦层的集成，而输出性能与摩擦层数量呈正相关。另外其通常使用亚克力板减材制造而成，缺乏柔性且难以成型，在一定程度上限制了摩擦纳米发电机的输出功率和大规模使用。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是克服现有的缺陷，提供一种3d打印的柔性书页结构摩擦纳米发电机，整体结构紧凑，设计新颖，能够实现摩擦纳米发电机多个摩擦层的集成，从而增大摩擦接触面积，提高输出功率，能够在外力消失时自行恢复形变，增加了摩擦纳米发电机的耐用性，提高了其应用范围，可以有效解决背景技术中的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种3d打印的柔性书页结构摩擦纳米发电机，包括支撑底座机构、柔性书页机构、固定轴、摆动轴和驱动轴，所述支撑底座机构的主体为两个对称的底面为梯形的四棱柱，且两个对称的梯形四棱柱上方形成v型凹槽，支撑底座机构的前后两端设置有固定架，柔性书页机构设置在支撑底座机构上方的v型凹槽中，柔性书页机构的页面上分别依次设置有相对的第一摩擦单元和第二摩擦单元，柔性书页机构的中部上方设置有摆页机构，固定轴依次穿过固定架上的通孔、摆页机构上的固定轴孔ⅱ和柔性书页机构上的固定轴孔ⅰ，驱动轴上设置有曲柄，曲柄另一端通过螺栓和螺母连接有摇杆，摆页机构设置有摆动轴孔，摆动轴的一端依次穿过摇杆和摆动轴孔。
7.进一步的，还包括轴承座，所述轴承座通过螺栓固定于支撑底座机构的螺孔中，驱动轴的一端依次穿过轴承座和支撑底座机构上的驱动轴孔，驱动轴的另一端连接有扇叶机构。
8.进一步的，所述第一摩擦单元为束缚电子能力弱的金属导电层，第一摩擦单元的
材质为铝、铜或铜铝合金，第二摩擦单元为束缚电子能力强的非金属绝缘层，第二摩擦单元的材质为聚四氟乙烯或聚酰亚胺薄膜，第二摩擦单元的表面上粘贴有背电极。
9.进一步的，所述第二摩擦单元趋向于得到电子，第一摩擦单元趋向于失去电子，从而在第一摩擦单元和第二摩擦单元之间形成电势差，当有外电路接入时，为了平衡电势便形成电流。
10.进一步的，所述第一摩擦单元和第二摩擦单元的厚度均为50μm-1mm。
11.进一步的，所述背电极的材质为铝或铜。
12.进一步的，所述的柔性书页机构使用柔性tpu、tpe材质打印，支撑底座机构、摆页机构、曲柄、摇杆和扇叶机构使用刚性pla材质打印。
13.进一步的，所述柔性书页机构中每片书页的厚度为2mm-5mm。
14.与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明能够实现摩擦纳米发电机多个摩擦层的集成，从而增大摩擦接触面积，提高输出功率；摩擦纳米发电机采用3d打印技术制作，支撑底座机构、摆页机构、曲柄、摇杆和扇叶机构使用刚性pla材质，柔性书页机构使用tpu、tpe材质，能够在外力消失时自行恢复形变，增加了摩擦纳米发电机的耐用性，提高了其应用范围。
附图说明
15.图1为本发明拆分结构结构示意图；图2为本发明整备结构示意图；图3为本发明的向左摆动工作结构示意图；图4为本发明的柔性书页机构摩擦接触结构示意图；图5为本发明短路电流数据图；图6为本发明开路电压数据图。
16.图中：1支撑底座机构、2柔性书页机构、3摆页机构、4曲柄、5摇杆、6扇叶机构、7第一摩擦单元、8第二摩擦单元、9轴承座、10固定轴、11摆动轴、12驱动轴、13固定架、14驱动轴孔、15螺孔、16螺母、17螺栓、21固定轴孔ⅰ、31摆动轴孔、32固定轴孔ⅱ、81背电极。
具体实施方式
17.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。
18.实施例一请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种3d打印的柔性书页结构摩擦纳米发电机，包括支撑底座机构1、柔性书页机构2、固定轴10、摆动轴11和驱动轴12，支撑底座机构1的主体为两个对称的底面为梯形的四棱柱，且两个对称的梯形四棱柱上方形成v型凹槽，支撑底座机构1的前后两端设置有固定架13，柔性书页机构2设置在支撑底座机构1上方的v型凹槽中，柔性书页机构2的页面上分别依次设置有相对的第一摩擦单元7和第二摩擦单元8，第一摩擦单元7和第二摩擦单元8的厚度均为50μm-1mm，第一摩擦单元7为束缚电子能力
弱的金属导电层，第一摩擦单元7的材质为铝、铜或铜铝合金，第二摩擦单元8为束缚电子能力强的非金属绝缘层，第二摩擦单元8的材质为聚四氟乙烯或聚酰亚胺薄膜，第二摩擦单元8的表面上粘贴有背电极81，背电极81的材质为铝或铜，第二摩擦单元8趋向于得到电子，第一摩擦单元7趋向于失去电子，从而在第一摩擦单元7和第二摩擦单元8之间形成电势差，当有外电路接入时，为了平衡电势便形成电流，柔性书页机构2中每片书页的厚度为2mm-5mm，柔性书页机构2的中部上方设置有摆页机构3，固定轴10依次穿过固定架13上的通孔、摆页机构3上的固定轴孔ⅱ32和柔性书页机构2上的固定轴孔ⅰ21，还包括轴承座9，轴承座9通过螺栓17固定于支撑底座机构1的螺孔15中，驱动轴12的一端依次穿过轴承座9和支撑底座机构1上的驱动轴孔14，驱动轴12的另一端连接有扇叶机构6，驱动轴12上设置有曲柄4，曲柄4另一端通过螺栓17和螺母16连接有摇杆5，摆页机构3设置有摆动轴孔31，摆动轴11的一端依次穿过摇杆5和摆动轴孔31，的柔性书页机构2使用柔性tpu、tpe材质打印，支撑底座机构1、摆页机构3、曲柄4、摇杆5和扇叶机构6使用刚性pla材质打印。
19.本发明提出的3d打印的柔性书页结构摩擦纳米发电机的具体制备过程为：将用3维软件设计好的支撑底座机构1、柔性书页机构2、摆页机构3、曲柄4、摇杆5和扇叶机构6的三维模型数据导入到切片软件中，切片软件切片后导出gcode文件转载到熔融沉积式3d打印机中，通过逐层成型的方式获得设计的模型，的柔性书页结构2使用柔性tpu、tpe材质打印，其余部件使用刚性pla材质打印。
20.如图3所示，在外部风力作用下，扇叶机构6的旋转带动前后曲柄4的联动旋转，与曲柄4相连的摇杆5往复摆动带动摆页机构3左右往复摆动，实现柔性书页机构2书页上第一摩擦单元7和第二摩擦单元8的周期性接触分离；如图4所示，当第一摩擦单元7和第二摩擦单元8紧密接触时，由于摩擦起电效应，其内表面会带有数量相等、符号相反的静电荷，其中第一摩擦单元7内表面带正电荷，第二摩擦单元8内表面带负电荷，当摆页机构3离开一侧压向另一侧时，离开的一侧第一摩擦单元7和第二摩擦单元8相互分离，在两个电极之间会产生感应电势差，感应电势差驱动两个电极之间的电子在外电路移动形成电流，被压实的一侧则重复上述摩擦起电效应到静电感应产生电流的过程，如此往复，形成周期性循环回路。
21.第一摩擦单元7的材质为铝、铜或任意比例的铜铝合金，第一摩擦单元7的厚度为50μm-1mm，第二摩擦单元8的材质为聚四氟乙烯或聚酰亚胺薄膜，第二摩擦单元8的厚度为50μm-1mm；第二摩擦单元8进行电荷注入预处理；柔性书页机构2上阵列分布第一摩擦单元7和第二摩擦单元8。
22.根据上述对3d打印的柔性书页结构摩擦纳米发电机工作原理的说明，按上述优选方案制造的3d打印的柔性书页结构摩擦纳米发电机的摩擦单元数为12个，12个第一摩擦单元7的摩擦层在柔性书页机构2的书页上均匀阵列式排布；分别与柔性书页机构2的书页上的阵列式分布的第二摩擦单元8中的第二摩擦单元每次6个接触面交替接触分离，各相同摩擦单元中的电极板用导线并联连接；当扇叶转动时，则如图5和6所示的3d打印的柔性书页结构摩擦纳米发电机的最大短路电流与开路电压分别为350μa和600v，该3d打印的柔性书页结构摩擦纳米发电机工作时可同时驱动300个led灯发光。
23.因此，可知本发明的3d打印的柔性书页结构摩擦纳米发电机能够实现摩擦纳米发电机多个摩擦层的集成，从而增大摩擦接触面积，提高输出功率，同时3d打印的柔性书页结构摩擦纳米发电机采用3d打印技术制作，支撑底座机构1、摆页机构3、曲柄4、摇杆5和扇叶
机构6使用刚性pla材质，柔性书页机构2使用tpu、tpe材质，能够在外力消失时自行恢复形变，增加了摩擦纳米发电机的耐用性，提高了其应用范围；另外本发明的多接触层摆动式摩擦纳米发电机对振动频率的要求不高，可以将自然界中低频震动的能量转化成电能。
24.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。