一种基于多层叠加结构的滑动式纳米摩擦俘能装置 |
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| 申请号 | CN202410048077.X | 申请日 | 2024-01-12 | 公开(公告)号 | CN117955361A | 公开(公告)日 | 2024-04-30 |
| 申请人 | 深圳大学; | 发明人 | 方仕童; 关意; 赖志慧; 丹尼尔·约琴科; | ||||
| 摘要 | 本 申请 公开了一种基于多层 叠加 结构的滑动式纳米摩擦俘能装置，其包括固定结构、受 力 轴、振荡 电极 结构以及固定电极结构，固定结构设置有沿第一方向延伸的滑动槽，受力轴滑设于滑动槽内，两个振荡电极结构均为多层振荡电极叠加结构，受力轴延伸出固定结构的第一端面的第一端分别与两个振荡电极结构的第一端转动连接，两个固定电极结构均为多层固定电极叠加结构，两个固定电极结构设置于固定结构的第一端面上，且两个固定电极结构的第一端分别转动连接于滑动槽沿第二方向的两侧，两个固定电极结构与两个振荡电极结构一一对应设置，每个振荡电极结构的第二端插设于与其相对应的固定电极结构的第二端内，每层振荡电极的两侧分别设置有一层固定电极。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种基于多层叠加结构的滑动式纳米摩擦俘能装置，其特征在于，所述滑动式纳米摩擦俘能装置包括： |
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| 说明书全文 | 一种基于多层叠加结构的滑动式纳米摩擦俘能装置技术领域背景技术[0002] 随着世界范围内能源需求的快速提高以及可持续发展理念的不断深入，从大自然中获取能量具有非常重要的意义。其中，振动能因其更清洁、更环保而越来越受到人们的青睐，振动能量收集技术主要分为压电、电磁、静电和摩擦电效应等。当前，随着纳米摩擦学原理的不断完善，把物体间相对振动产生的摩擦能转换成电能，被认为是从大自然中俘获能量的可行方案，且静电和摩擦电效应具有极高的输出电压、体积灵活、结构简单、无需特定的工作频率等优点，因而逐渐被人们重视起来并得到广泛的研究。但是，现有技术中的纳米摩擦俘能装置，摩擦层所携带的电荷量较少，能量俘获效率低。发明内容 [0003] 本申请提供一种基于多层叠加结构的滑动式纳米摩擦俘能装置，通过增加摩擦层的面积提高摩擦俘能结构整体的电荷量。 [0004] 具体的技术方案如下： [0005] 本申请实施例提供了一种基于多层叠加结构的滑动式纳米摩擦俘能装置，所述滑动式纳米摩擦俘能装置包括： [0006] 固定结构，所述固定结构设置有沿第一方向延伸的滑动槽； [0007] 受力轴，所述受力轴滑设于所述滑动槽内，且所述受力轴的第一端延伸至所述固定结构的第一端面外； [0009] 两个具有多层固定电极叠加结构的固定电极结构，两个所述固定电极结构设置于所述固定结构的第一端面上，且两个所述固定电极结构的第一端分别转动连接于所述滑动槽沿第二方向的两侧，两个所述固定电极结构与两个所述振荡电极结构一一对应设置，每个所述振荡电极结构的第二端插设于与其相对应的所述固定电极结构的第二端内，所述振荡电极结构的每层振荡电极的两侧分别设置有所述固定电极结构的一层固定电极； [0010] 当所述受力轴受到外部激励沿所述滑动槽往复运动时，所述振荡电极结构产生平行于所述固定电极结构的运动，以及绕所述固定电极结构的转动中心旋转的运动，使每层所述振荡电极与其相对应的所述固定电极之间的膜重叠面积发生变化，从而使电荷通过外部电路在所述振荡电极和所述固定电极之间来回转移并产生电流； [0011] 其中，所述第一方向与所述第二方向相互垂直。 [0012] 在本申请的一些实施例中，所述受力轴的第二端延伸至所述固定结构的第二端面外； [0013] 所述滑动式纳米摩擦俘能装置还包括：两个弹性模量相同的弹性结构，两个所述弹性结构设置于所述固定结构的第二端面上，且每个所述弹性结构的第一端均与所述受力轴的第二端相连，两个所述弹性结构的第二端分别转动连接于所述滑动槽沿所述第二方向的两侧； [0014] 当所述受力轴受到的外部激励不连续时，在所述弹性结构的弹性作用力下，两个所述弹性结构通过带动所述受力轴沿所述滑动槽往复运动，进而带动所述振荡电极结构相对所述固定电极结构运动，使每层所述振荡电极与其相对应的所述固定电极之间的膜重叠面积发生变化，从而使电荷通过外部电路在所述振荡电极和所述固定电极之间来回转移并产生电流。 [0015] 在本申请的一些实施例中，所述固定结构上设置有两个固定轴，两个所述固定轴分别位于所述滑动槽沿所述第二方向的两侧，所述固定轴的第一端延伸出所述固定结构的第一端面外，所述固定轴的第二端延伸出所述所述固定结构的第二端面外，两个所述固定轴的第一端分别与两个所述固定电极结构的第一端转动连接，两个所述固定轴的第二端分别与两个所述所述弹性结构的第二端相连。 [0016] 在本申请的一些实施例中，所述弹性结构为弹簧，两个所述固定轴的中心点的连线为所述滑动槽的垂直平分线； [0017] 当所述受力轴滑设至所述滑动槽的中点时，所述弹簧处于平衡状态，或者，当所述受力轴滑设至所述滑动槽的中点时，所述弹簧处于压缩状态，当所述受力轴滑设至所述滑动槽的两端点时，所述弹簧处于拉伸状态。 [0018] 在本申请的一些实施例中，所述振荡电极结构包括第一转动部、第一固定板以及多层所述振荡电极，每层所述振荡电极均包括一个振荡电极板和具有光栅结构的第一电极膜，所述第一电极膜设置于所述振荡电极板的两侧表面上，所述第一固定板的一侧表面的一端与所述第一转动部垂直相连，多个所述振荡电极板等距离均匀设置于所述第一固定板的另一侧表面上，且所述第一转动部的延伸方向与每个所述振荡电极板的延伸方向相同，所述第一转动部上设置有第一转动孔，所述第一转动孔内设置有第一转动轴承，所述振荡电极结构通过所述第一转动轴承与所述受力轴转动连接。 [0019] 在本申请的一些实施例中，所述第一转动部位于所述第一固定板的边缘处的端面为所述第一转动部的外端面，所述第一转动部远离所述第一固定板的边缘处的端面为所述第一转动部的内端面，所述振荡电极结构中靠近所述固定结构的所述振荡电极板为内振荡电极板，所述内振荡电极板靠近所述固定结构的端面为所述振荡电极结构的内端面，所述受力轴依次穿设两个所述振荡电极结构的所述第一转动轴承，两个所述第一转动部的内端面相对设置，且两个所述振荡电极结构的内端面处于同一平面内。 [0020] 在本申请的一些实施例中，所述固定电极结构包括第二转动部、第二固定板、两个限位板以及多层所述固定电极，每层所述固定电极均包括一个固定电极板以及具有光栅结构的第二电极膜、介电膜，所述第二电极膜设置于所述固定电极板的两侧表面上，所述介电膜覆盖于所述第二电极膜上，所述第二固定板的一侧表面与所述第二转动部相连，多个所述固定电极板等距离均匀设置于所述第二固定板的另一侧表面上，且所述第二转动部的延伸方向与每个所述固定电极板的延伸方向相同，所述固定电极板与所述第二固定板相邻的两个端面分别为第一连接端面和第二连接端面，多个所述第一连接端面和多个所述第二连接端面分别通过一个所述限位板相连，且所述限位板远离所述第二转动部的端面与所述固定电极板远离所述第二转动部的端面处于同一水平面内，所述限位板靠近所述第二转动部的端面与第二固定板之间设置预设间隙，所述第二转动部上设置有第二转动孔，所述第二转动孔内设置有第二转动轴承，所述第二转动部通过所述第二转动轴承转动设置于所述固定结构的第一端面上，所述振荡电极结构的每个所述振荡电极板插设于所述固定电极结构的两两所述固定电极板之间。 [0021] 在本申请的一些实施例中，多层所述振荡电极串联，且多层所述固定电极串联。 [0022] 在本申请的一些实施例中，当所述受力轴滑设至所述滑动槽的中点时，所述振荡电极板和所述固定电极板之间的重叠面积与所述固定电极板的面积之比为9/10；当所述受力轴滑设至所述滑动槽的两端点时，所述振荡电极板和所述固定电极板之间的重叠面积与所述固定电极板的面积之比为1/10。 [0023] 在本申请的一些实施例中，所述滑动槽内设置有滑轮，所述受力轴设置于所述滑轮上。 [0024] 本申请实施例的有益效果如下： [0025] 通过多层叠加结构的设计，可大大增加整体摩擦层的面积，在金属电极表面产生的电荷量成倍增加，极大提高了摩擦俘能结构的输出功率，且设置两组摩擦俘能结构，进一步提高整体结构的输出功率。此外，弹簧的设计可使该滑动式纳米摩擦俘能装置形成双稳态系统或单稳态系统，避免了摩擦俘能结构在一些激励条件下不工作的情况，且弹簧不会与摩擦俘能结构发生运动干涉，拆卸、更换简单，在不同的场景下，还可根据具体的使用需求，更换相适配的弹簧，以调整其刚度，从而使俘能装置可应对各种复杂的工况。附图说明 [0026] 为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做简单的介绍。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。 [0027] 图1为本申请实施例提供的一种基于多层叠加结构的滑动式纳米摩擦俘能装置的主视图； [0028] 图2为本申请实施例提供的一种基于多层叠加结构的滑动式纳米摩擦俘能装置中振荡电极结构和固定电极结构部分的结构示意图； [0029] 图3为本申请实施例提供的一种固定电极结构的结构示意图； [0030] 图4为本申请实施例提供的一种固定电极的主视图； [0031] 图5为本申请实施例提供的一种固定电极的剖面示意图； [0032] 图6为本申请实施例提供的一种振荡电极结构的结构示意图； [0033] 图7为本申请实施例提供的一种振荡电极的主视图； [0034] 图8为本申请实施例提供的一种振荡电极的剖面示意图； [0035] 图9为本申请实施例提供的一种基于多层叠加结构的滑动式纳米摩擦俘能装置的后视图； [0036] 图10为本申请实施例提供的一种基于多层叠加结构的滑动式纳米摩擦俘能装置中弹性结构的结构示意图。 具体实施方式[0037] 下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整的描述。显然，所描述的实施例仅仅是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有付出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。 [0038] 需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。本申请实施例及附图中的术语“包括”和“具有”以及它们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含。例如，包含的一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备没有限定于已列出的步骤或单元，而是可选地还包括没有列出的步骤或单元，或可选地还包括对于这些过程、方法、产品或设备固有的其他步骤或单元。 [0039] 对于摩擦俘能结构而言，输出功率很大程度上取决于摩擦层的电荷量和电荷的转移比例。本申请实施例公开了一种基于多层叠加结构的滑动式纳米摩擦俘能装置，通过增加摩擦层的面积提高摩擦俘能结构整体的电荷量，提高了能量俘获效率。以下分别进行详细说明。 [0040] 图1示出了根据本申请实施例提供的一种基于多层叠加结构的滑动式纳米摩擦俘能装置。如图1所示，该滑动式纳米摩擦俘能装置主要包括：固定结构1、受力轴2、振荡电极结构3以及固定电极结构4，固定结构1为振荡电极结构3和固定电极结构4提供安置及运动位置，振荡电极结构3的电极膜与固定电极结构4的介电膜对应设置，形成摩擦层，且固定电极结构4的一端固定于固定结构1上，并与固定结构1之间转动连接，振荡电极结构3的一端通过受力轴2在固定结构1上限位运动，振荡电极结构3的电极膜与固定电极结构4的介电膜的膜重叠面积随着振荡电极结构3的运动发生改变，摩擦层的电荷在介电膜和电极膜之间不断转移，产生电流，从而将外部运动的机械能转变为电能，完成纳米摩擦俘能过程。 [0041] 在本申请实施例中，如图1所示，该滑动式纳米摩擦俘能装置中的振荡电极结构3和固定电极结构4均设置有两个，且该振荡电极结构3具有多层振荡电极叠加结构，该固定电极结构4具有与振荡电极结构3相对应的多层固定电极叠加结构，多层振荡电极叠加结构与多层固定电极叠加结构相互嵌入，通过设置两组摩擦俘能结构，并设置多层叠加结构，使该滑动式纳米摩擦俘能装置在一个振动周期内的输出功率成倍增加，提高了俘能效率。 [0042] 具体的，如图1和图2所示，固定结构1上设置有沿第一方向延伸的滑动槽11，受力轴2滑设于滑动槽11内，且受力轴2的第一端21延伸至固定结构1的第一端面12外，两个振荡电极结构3位于固定结构1的第一端面12上，且受力轴2的第一端21分别与两个振荡电极结构3的第一端31转动连接，滑动槽11通过受力轴2对两个振荡电极结构3的运动产生限位作用。两个固定电极结构4设置于固定结构1的第一端面12上，且两个固定电极结构4的第一端41分别转动连接于滑动槽11沿第二方向的两侧，两个固定电极结构4与两个振荡电极结构3一一对应设置，每个振荡电极结构3的第二端插设于与其相对应的固定电极结构4的第二端 42内，多层振荡电极叠加结构插嵌至多层固定电极叠加结构中，即振荡电极结构3的每层振荡电极的两侧分别设置有固定电极结构4的一层固定电极，从而使得每层振荡电极至少设置与一层固定电极形成一层摩擦层，则该滑动式纳米摩擦俘能装置在振荡电极和固定电极面积一定的情况下，可形成多层摩擦层，增加了装置整体的摩擦层面积，进而提高电荷量。 当受力轴2受到外部激励沿滑动槽11往复运动时，振荡电极结构3产生平行于固定电极结构 4的运动，以及绕固定电极结构4的转动中心旋转的运动，使每层振荡电极32与其相对应的每层固定电极46之间的膜重叠面积发生变化，从而使电荷通过外部电路在振荡电极32和固定电极46之间来回转移并产生电流。需要注意并理解的是，本申请中的“外部激励”指的是外部运动的机械能，即该滑动式纳米摩擦俘能装置所要俘获的能量，外部运动结构通过与受力轴2相连，带动受力轴2沿滑动槽11往复运动，如此往复，将外部运动的机械能转变为电能。 [0043] 在本申请中，受力轴2主要具有以下两方面的作用： [0044] 第一，受力轴2通过与振荡电极结构3转动连接，把外部的往复直线运动传递给摩擦俘能结构，必要时可在受力轴2的一侧安装受力板，以适应各种不同形式的外力； [0045] 第二，受力轴2被限制在固定结构1的滑动槽11内运动，约束摩擦俘能结构中振荡电极结构3和固定电极结构4的运动状态。 [0046] 其中，本申请中的第一方向指的是受力轴2往复运动的方向，第二方向与第一方向相互垂直，但需注意的是，本申请中的“垂直”并非绝对的垂直，可以为90°±10°。 [0047] 在本申请实施例中，如图9和图10所示，该滑动式纳米摩擦俘能装置还包括弹性结构5，每个组摩擦俘能结构分别设置有一个弹性结构5，且两个弹性结构5的弹性模量相同。具体的，受力轴2的第二端22延伸至固定结构1的第二端面13外，两个弹性结构5设置于固定结构1的第二端面13上，且每个弹性结构5的第一端51均与受力轴2的第二端22相连，两个弹性结构5的第二端52分别转动连接于滑动槽11沿第二方向的两侧。当受力轴2受到的外部激励不连续时，在弹性结构5的弹性作用力下，两个弹性结构5通过带动受力轴2沿滑动槽11往复运动，进而带动振荡电极结构3相对固定电极结构4运动，使每层振荡电极32与其相对应的固定电极46之间的膜重叠面积发生变化，从而使电荷通过外部电路在振荡电极32和固定电极46之间来回转移并产生电流。 [0048] 该滑动式纳米摩擦俘能装置通过增设弹性结构5，不仅可适应连续的激励，还可适应各种不同的激励，例如，当外部激励的大小变化但方向不变时，弹性结构5可使两组摩擦俘能结构不断振荡，从而俘获电能。此外，本申请中的弹性结构5设置于固定结构1的第二端面13，而两组摩擦俘能结构设置于固定结构1的第一端面12上，弹性结构5不会与摩擦俘能结构发生运动干涉，拆卸、更换简单，在不同的场景下，可根据具体的使用需求，更换相适配的弹性模量的弹性结构5。 [0049] 在一些实施例中，如图1、图2、图9和图10所示，固定结构1上设置有两个固定轴14，两个固定轴14分别位于滑动槽11沿第二方向的两侧，固定轴14的第一端141延伸出固定结构1的第一端面12外，固定轴14的第二端142延伸出固定结构1的第二端面13外，两个固定轴14的第一端141分别与两个固定电极结构4的第一端41相连，两个固定轴14的第二端142分别与两个弹性结构5的第二端52相连，以使固定电极结构4的转动中心轴与弹性结构5固定端的中心轴重合。进一步的，如图9和图10所示，弹性结构5为弹簧，两个固定轴14的中心点的连线为滑动槽11的垂直平分线，通过对称设置，充分利用弹簧的弹性作用力及滑动槽11，保证受力轴2在滑动槽11内往复运动。 [0050] 在一些具体的实施过程中，当受力轴2滑设至滑动槽11的中点时，弹簧处于平衡状态，使该滑动式纳米摩擦俘能装置形成单稳态系统，可避免了摩擦俘能结构在一些激励条件下不工作的情况。 [0051] 在另一些具体的实施过程中，当受力轴2滑设至滑动槽11的中点时，弹簧处于压缩状态，当受力轴2滑设至滑动槽11的两端点时，弹簧处于拉伸状态，即受力轴滑设至滑动槽11的中点与任意一端点之间的位置处，弹簧处于平衡状态，使该滑动式纳米摩擦俘能装置形成双稳态系统，也可避免了摩擦俘能结构在一些激励条件下不工作的情况。 [0052] 在另一些实施例中，可在滑动槽内设置滑轮，受力轴设置于滑轮上，从而通过滑轮的设置，减少受力轴与滑动槽之间的摩擦，并保证受力轴在滑动槽内的往复运动的直线性，有助于提高机械能的转化率。 [0053] 在本申请实施例中，如图6–图8所示，振荡电极结构3包括第一转动部33、第一固定板34以及多层振荡电极32，第一转动部33用于振荡电极结构3与受力轴2之间的转动连接，第一固定板34用于第一转动部33与多层振荡电极32之间的连接，并为多层振荡电极32的叠加结构提供设置位置。 [0054] 具体的，如图7和图8所示，每层振荡电极32均包括一个振荡电极板321和具有光栅结构的第一电极膜322，振荡电极板321为第一电极膜322的承载板，本实施例中的振荡电极板321的两侧表面上均设置有第一电极膜322，以充分利用振荡电极板321的两个表面，进一步提高摩擦俘能结构在一个振动周期内的输出功率。需注意并理解的是，第一电极膜322具有光栅结构，指的是振荡电极板321同一侧表面上的第一电极膜322通过第一细长电极膜323相连，且两侧表面同一端的第一电极膜322通过第一弯折电极膜324相连，该两侧表面同一端一般指的是振荡电极结构3与固定电极结构4相互嵌入的一端，以方便每层振荡电极32在另一端设置电线。 [0055] 如图6所示，第一固定板34的一侧表面的一端与第一转动部33垂直相连，多个振荡电极板321等距离均匀设置于第一固定板34的另一侧表面上，且第一转动部33的延伸方向与每个振荡电极板321的延伸方向相同，第一转动部33上设置有第一转动孔331，第一转动孔331内设置有第一转动轴承332，振荡电极结构3通过第一转动轴承332与受力轴2转动连接。在具体的实施例中，第一转动部33位于第一固定板34的边缘处的端面为第一转动部33的外端面333，第一转动部33远离第一固定板34的边缘处的端面为第一转动部33的内端面334，振荡电极结构3中靠近固定结构1的振荡电极板321为内振荡电极板，内振荡电极板靠近固定结构1的端面为振荡电极结构3的内端面，受力轴2依次穿设两个振荡电极结构3的第一转动轴承332，两个第一转动部33的内端面334相对设置，且两个振荡电极结构3的内端面处于同一平面内，使通过受力轴2相连的两个振荡电极结构3处于同一平面内，相对应的，两个固定电极结构4也处于同一平面内，保证固定电极结构4对称设置，使得两组摩擦俘能结构对称设置，整体结构更易加工和安装。进一步的，如图6所示，第一转动部33的外端面333可与位于振荡电极结构3靠近第一转动部33的最外侧的振荡电极板321的外侧面处于同一平面内，同时，由于两个振荡电极结构3的内端面处于同一平面内，即第一转动部33的外端面333、位于振荡电极结构3靠近第一转动部33的最外侧的振荡电极板321的外侧面，均与第一固定板34靠近第一转动部33的一端面处于同一平面内，且位于振荡电极结构3远离第一转动部33的最外侧的振荡电极板321的外侧面，与第一固定板34远离第一转动部33的一端面处于同一平面内，更有利于整体结构的对称设置。 [0056] 此外，在本申请实施例中，如图3–图5所示，固定电极结构4包括第二转动部43、第二固定板44、两个限位板45以及多层固定电极46，第二转动部43用于固定电极结构4与固定结构1之间的转动连接，第二固定板44用于第二转动部43与多层固定电极46之间的连接，并为多层固定电极46的叠加结构提供设置位置，限位板45用于对振荡电极结构3相对于固定电极结构4的运动进行限位。 [0057] 具体的，如图4和图5所示，每层固定电极46均包括一个固定电极板461以及具有光栅结构的第二电极膜462、介电膜463，固定电极板461为第二电极膜462的承载板，本实施例中的固定电极板461的两侧表面上也均设置有第二电极膜462，介电膜463覆盖于第二电极膜462上，介电膜463与具有光栅结构的第二电极膜462的大小相同，从而达到充分利用固定电极板461的两个表面的目的。需注意并理解的是，第二电极膜462具有光栅结构，指的是固定电极板461同一侧表面上的第二电极膜462通过第二细长电极膜464相连，且两侧表面同一端的第二电极膜462通过第二弯折电极膜465相连，该两侧表面同一端同样一般指的是固定电极结构4与振荡电极结构3相互嵌入的一端，以方便每层固定电极46在另一端设置电线。进一步需要理解的是，介电膜463与具有光栅结构的第二电极膜462的大小相同，指的是介电膜463的大小与第二电极膜462及其之间设置的第二细长电极膜464、第二弯折电极膜465的总大小相同。 [0058] 如图3所示，第二固定板44的一侧表面与第二转动部43相连，多个固定电极板461等距离均匀设置于第二固定板44的另一侧表面上，且第二转动部43的延伸方向与每个固定电极板461的延伸方向相同。固定电极板461包括两侧表面以及依次收尾连接的第一连接端面、第三连接端面、第二连接端面和第四连接端面，其中，两侧表面指的是固定电极板461的两个相对设置且面积最大的表面，用于第二电极膜462、介电膜463的设置，第三连接端面为固定电极板461与第二固定板44相连接的端面，第一连接端面和第二连接端面为固定电极板461与第二固定板44相邻的两个端面。在本实施例中，多个第一连接端面和第二连接端面分别通过一个限位板45相连，且限位板45远离第二转动部43的端面与固定电极板461远离第二转动部43的端面处于同一水平面内，对振荡电极结构3相对于固定电极结构4的运动进行限位，并保证在摩擦俘能结构的俘能过程中，振荡电极结构3与固定电极结构4始终保持相互嵌入的状态，此外，限位板45靠近第二转动部43的端面与第二固定板44之间设置预设间隙47，以通过预设间隙47的设置使得固定电极46所连接的电线可伸至固定电极结构4外。第二转动部43上设置有第二转动孔431，第二转动孔431内设置有第二转动轴承432，第二转动部43通过第二转动轴承432转动设置于固定结构1的第一端面12上，详细的，固定轴14的第一端141与第二转动轴承432相连接，从而将固定电极结构4的第一端41固定在固定结构1上，并可相对于固定结构1转动。 [0059] 振荡电极结构3的每个振荡电极板321插设于固定电极结构4的两两固定电极板461之间，使得相对设置的第一电极膜322和介电膜463之间均可形成一层摩擦层，充分利用了承载板的两侧表面，大大增加了摩擦层的面积。需注意的是，本申请中的第一电极膜322和第二电极膜462均为金属电极膜。 [0060] 在一些实施例中，振荡电极结构3中的多层振荡电极32之间进行串联，且固定电极结构4的多层固定电极46串联，即振荡电极结构3与固定电极结构4之间所产生的电流只有一条路径。 [0061] 在另一些实施例中，当受力轴2滑设至滑动槽11的中点时，振荡电极板321和固定电极板461之间的重叠面积与固定电极板461的面积之比为9/10，当受力轴2滑设至滑动槽11的两端点时，振荡电极板321和固定电极板461之间的重叠面积与固定电极板461的面积之比为1/10，在保证尽可能利用承载板面积的同时，保证振荡电极结构3与固定电极结构4始终处于相互嵌入的状态，避免振荡电极结构3脱离固定电极结构4。 [0062] 以上是对本实施例提供的基于多层叠加结构的滑动式纳米摩擦俘能装置的各个部件、它们之间的连接关系进行了介绍，下面结合图1–图10，对基于多层叠加结构的滑动式纳米摩擦俘能装置的完整结构和工作原理进行详述。 [0063] 在本实施例中，受力轴2主要用于把外部任何形式的往复直线运动传递给摩擦俘能结构；固定结构1主要用于固定摩擦俘能结构，并对摩擦俘能结构的运动状态加以约束；摩擦俘能结构用于将受力轴2往复运动的机械能转变为电能，以为用电装置供电。 [0064] 其中，摩擦俘能结构采用具有多层振荡电极叠加结构的振荡电极结构3和具有多层固定电极叠加结构的固定电极结构4构成。振荡电极结构3中的第一电极膜322做成光栅结构，并附着在振荡电极板321的两侧表面，通过第一固定板34的设置使多个振荡电极板321的一端固定，且多个振荡电极板321之间相隔一个振荡电极板321厚度的距离堆叠。同样的，固定电极结构4中的第二电极膜462做成光栅结构，并附着在固定电极板461的两侧表面，将同等大小的介电膜463贴在具有光栅结构的第二电极膜462上，通过第二固定板44的设置使多个固定电极板461的一端固定，且多个固定电极板461之间相隔一个固定电极板 461厚度的距离堆叠。具有光栅结构的第一电极膜322与具有光栅结构的第二电极膜462的形状大小相同，且固定电极板461的厚度与振荡电极板321的厚度相同，多层振荡电极叠加结构与多层固定电极叠加结构相互嵌入，形成具有多层叠加结构的摩擦俘能结构，增加了摩擦面积，并添加弹性结构5形成单稳态结构或双稳态结构，提高了俘能效率。当受力轴2受到外部激励沿滑动槽11往复运动时，振荡电极32和固定电极46相互嵌入的距离发生改变，附着在两叠加结构上的第一电极膜322与第二电极膜462加介电膜463的重叠面积也随之改变，当振荡电极32上的第一电极膜322和固定电极46上的第二电极膜462加介电膜463的重叠面积增加时，电荷在静电效应的驱使下回转移到振荡电极32上的第一电极膜322上，当两者的重叠面积减小时，电荷在静电效应的驱使下会转移到固定电极46上的第二电极膜462上。二者表面的电荷在第一电极膜322和介电膜463之间不断转移，从而产生电流。如此往复，从而将外部运动的机械能转变为电能，可将产生的电能进行储存，也可使其直接为用电装置供电。 [0065] 需注意并理解的是，本实施例滑动式纳米摩擦俘能装置中的电极膜(即第一电极膜322和第二电极膜462)均采用光栅结构，可使得在振荡电极结构3与固定电极结构4相对远离或相对靠近的过程中，电荷在静电效应的驱使下，在振荡电极32上的第一电极膜322和固定电极46上的第二电极膜462之间发生多次来回转移，进一步提高了机械能转换电能的效率。 [0066] 在本实施例中，当外部激励不连续时，与受力轴2相连的弹性结构5的弹性势能会转化为振荡电极结构3的动能，避免了摩擦俘能结构在一些激励条件下不工作的情况。弹性结构5的弹力和外力叠加，使该滑动式纳米摩擦俘能装置形成双稳态系统或单稳态系统，相对于现有技术中的摩擦俘能装置，大多数工况下的能量输出功率具有大幅提升，且稳定性和耐久性更好，且对各种复杂的工况具有良好的适应性。 [0067] 本申请中的基于多层叠加结构的滑动式纳米摩擦俘能装置是一个具有阻尼特性和俘能性能的基本单元，可以灵活的应用于工程中的各个领域，并可根据实际使用场景的不同，适当改变结构的尺寸大小，具有较高的适应性，用途广泛。例如，该滑动式纳米摩擦俘能装置用于海洋能收集，其可替代现有技术中的电磁俘能装置，且当该滑动式纳米摩擦俘能装置中的某一摩擦层失效时，其他摩擦层还可正常工作，拥有较高的鲁棒性；该滑动式纳米摩擦俘能装置用于桥梁、高楼建设，由于其具有阻尼特性和俘能性能，该滑动式纳米摩擦俘能装置在减少建筑物振动的同时，还可俘获建筑物的振动能量。 [0068] 综上所述，本申请公开一种基于多层叠加结构的滑动式纳米摩擦俘能装置，通过多层叠加结构的设计，可大大增加整体摩擦层的面积，在金属电极表面产生的电荷量成倍增加，极大提高了摩擦俘能结构的输出功率，且设置两组摩擦俘能结构，进一步提高整体结构的输出功率。此外，弹簧的设计可使该滑动式纳米摩擦俘能装置形成双稳态系统或单稳态系统，避免了摩擦俘能结构在一些激励条件下不工作的情况，且弹簧不会与摩擦俘能结构发生运动干涉，拆卸、更换简单，在不同的场景下，还可根据具体的使用需求，更换相适配的弹簧，以调整其刚度，从而使俘能装置可应对各种复杂的工况。 [0069] 本领域普通技术人员应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。另外，在本申请实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。 [0070] 在本申请的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。 [0071] 最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本申请的具体实施方式，用以说明本申请的技术方案，而非对其限制，本申请的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本申请进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。 |
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