摩擦纳米发电机在自驱动微系统研究中的现状与展望

摩擦纳米发电机由王中林团队2012年首次发明,是基于机械界面摩擦起电与静电感应耦合效应的新能源技术,具有轻薄、柔性、选材广的特点,可收集人体与环境中的微小机械能,不但是一个微能源产生的新方法,更是机械传感的新途径。详述了摩擦纳米发电的机理、特性与理论模型。介绍了几种提高摩擦发电性能的微纳制造方法。综述了一系列基于摩擦电的微机械传感器、执行器和自驱动微系统,及其在柔性机械、智能装备和无线传感等领域的应用研究。对摩擦电自驱动微系统目前存在的问题做出了分析与讨论,展望了其未来的研究趋势。     

电驱动微纳米模塑技术的成形机理及工艺参数影响研究

电驱动微纳米模塑技术较之常规压印光刻技术具有其独特的优势,其利用电场产生的Maxwell压强替代外部机械压力,实现对聚合物薄膜流变的有效驱动,可以避免压印光刻技术中机械压力引发的结构变形等问题,实现微纳米结构的保真复形。针对电驱动微纳米模塑技术中电场施加方式以及模具几何约束的差异,提出非接触式与接触式两种电驱动模塑成形方法,并采用理论分析、数值仿真以及试验等手段探究电场作用下聚合物的流变成形机理,分析电压、空气间隙和膜厚等工艺参数对复形模塑结构的影响,探讨非接触式与接触式两种电驱动微纳米结构成形方法的异同。研究结果表明,两种电驱动模塑技术都能有效避免常规压印光刻技术的不足之处,在无机械压力条件下实现微纳米结构的模板图案完整复型,但接触式电驱动微纳米模塑方式在图形复制精确性、成形效率和工艺可控性等方面更具优势,是一种具有广阔应用潜力的纳米结构图形化方法。     

固-液摩擦纳米发电机

摩擦纳米发电机的发明为人们在能量收集领域开辟了新道路。固-液摩擦纳米发电机是基于固-液界面摩擦起电与静电感应效应耦合的发电装置,因其制造简单、成本低、能有效地收集多种形式的低频率水能,使其在摩擦纳米发电机中占有重要的地位。详述了固-液界面的起电机理,概括了固-液摩擦纳米发电机的典型结构和工作模式。分析了液体、固体摩擦材料的特性对摩擦纳米发电机输出性能的影响,介绍了常用的提高摩擦发电性能的微纳制造方法。综述了一系列固-液摩擦纳米发电机在自驱动型传感器和微机械自供电系统中的应用。总结了固-液摩擦纳米发电机目前存在的挑战,展望了其未来发展的趋势。     

一种具有纳米级步进特性的直线压电电机

为实现纳米级的定位精度,通过精密控制电机定/动子间的正压力和相对运动速度,以实现电机在一个周期内的精密步进运动。首先,在研究电机步进运动原理的基础上,设计了具有法向振动框特征的驱动足结构,可以获得驱动端法向振动和切向振动的独立解耦特性;其次,利用有限元法对定子驱动足进行了参数优化设计,获得了定子驱动足的主要结构尺寸;最后,制作电机样机并进行了定子振动特性实验和电机特性实验。定子振动特性实验结果表明:该电机在1～400Hz范围内能够使得驱动阶段和回程阶段具有不同的运动特性,上述两个运动阶段的动子运动位移差即为电机的运动步距,因而该电机具有更小的位移分辨率。机械输出特性实验结果表明:该电机在1～400Hz范围内分别具有微、纳米级步进运动特性,在1～30Hz内电机的位移分辨率最高可达11nm。综上,该电机在400Hz以内能实现微纳米定位精度,电机速度最高可达63.3μm/s。     

摩擦纳米发电机表面织构的优化设计

摩擦纳米发电机是基于自驱动纳米技术并以接触/摩擦起电和静电感应为基础的微/纳机电动力系统,提高其起电性能的有效手段之一是将微/纳织构制备在接触界面上。采用理论与试验相结合的方法开展摩擦纳米发电机表面织构的优化设计研究。建立摩擦纳米发电机织构界面黏附接触模型,探讨外载荷、织构面密度及宽度对摩擦纳米发电机起电性能的影响规律,获得不同外载荷下使摩擦纳米发电机起电性能最优的织构参数,并制备织构化摩擦纳米发电机,构建起电性能测试平台,试验验证摩擦纳米发电机最优织构的设计效果。结果表明:不同外载荷下使摩擦纳米发电机起电性能达到最优的织构参数不同;相比于织构宽度,织构面密度对于摩擦纳米发电机起电性能的影响更为显著;所构建的理论模型结果与试验结果具有较好的一致性,可为摩擦纳米发电机表面织构的设计提供理论指导。     

微摩擦测试技术研究进展

随着微型机械的发展,尤其是微摩擦学研究的进展,微摩擦测试技术显得极为重要。综述了国内外微摩擦测试技术的研究进展和现状,介绍了基于应变仪、压力传感器、电磁微型马达、硅微机械结构、浮力、光学检测等原理的微摩擦测试仪,分析了它们的工作原理和特点。     

高性能摩擦电材料突破耐磨损耐高温性能极限

正由中国科学院北京纳米能源与系统研究所王中林院士研究团队领衔,内蒙古工业大学科研院队配合的研究团队,在高性能摩擦电材料及用于汽车或轨道交通中制动能量收集和自驱动传感方面取得最新研究成果。新成果突破了原有摩擦电材料耐磨损、耐高温性能极限,团队制备出全新微纳复合摩擦电材料,并展示了应用实例。     

基于惯性冲击原理的变摩擦式微位移机构运动特性的研究

针对目前无法使用对称的正弦波产生逆压电效应驱动微位移机构的现状,提出了利用正弦波信号驱动压电双晶片振子的技术方案,应用惯性冲击力实现机构的微小位移,建立了机构运动的数学模型。设计了斜面结构使正弦波作用产生的周期性惯性冲击力形成竖直作用于微位移驱动机构的分量,通过改变正压力调整摩擦阻力的大小,并推导了QU相似文献   

旋转型压电惯性冲击马达的工作特性

为了研究惯性冲击机构中的旋转运动，设计了一台可调节预压力的旋转型压电惯性冲击马达。分析了该马达的运动原理及过程，研究了驱动信号、结构参数、压电元件等对马达运动特性的影响及规律。实验结果表明，该马达的转动速度与驱动信号的频率、电压成正比，与主体和配重的比值（M/m）成反比，转动速度随压电元件充放电时间增加而减小。研究还显示，旋转型惯性冲击马达的机械特性和正反转特性不同于电磁马达，该马达的转动速度-转矩特性为一折线，马达的正向转动速度始终大于反向速度。当驱动信号频率为1 100 Hz、电压为50 V、充电时间为70 μs、M/m=8.9时，该马达的转动速度为1.75 °/s，最大转矩为0.13 N·m。结果表明，旋转型惯性冲击马达是一个多变量系统，其运动性能受多种因素的控制。     

利用压电微泵驱动和脉动混合可控合成金纳米粒子

为了合成粒径均一、单分散性好的金纳米粒子,提出一种压电驱动式脉动微混合可控合成金纳米粒子的方法。该方法采用两腔三阀结构的压电微泵作为驱动源,结合Y形微混合器,基于两压电微泵脉动交叉式输出性能来实现多种不同混合模式的可控混合。利用Fluent软件对Y形微混合器内不同流量及频率下的混合效果进行了优化分析,优选出了压电微泵的控制参数。在实验室内设计、制作了用于金纳米粒子可控合成的系统样机,并开展了相应的金纳米粒子可控合成试验。试验结果表明：电压为40 V,频率为300 Hz时,合成的金纳米粒子粒径较为均一,分散性较好,该结果验证了文中所提方法的可行性。此方法亦可应用于其他纳米粒子的可控合成。     

微摩擦测试仪力传感器的研究

讨论了微尺度构件的摩擦力测试问题.Bhushan和Koinkar分别对硅材料的宏观摩擦系数和纳米摩擦系数进行了对比实验,实验表明纳米摩擦系数远远低于宏观摩擦系数.而在微机械构件中,零件的大小一般为微米级,甚至更大,接触面积也较大.载荷介于宏观和微观之间,有时会大于nN范围,因此其摩擦特殊,有可能不完全等同于宏观摩擦和纳米摩擦,因此需进一步研究.但现有的微摩擦测试仪器不管是载荷还是测量范围都是基于纳米量级,因此需要一种用于研究微机械样品间摩擦的专用仪器.本文主要对这种微摩擦测试仪中关键技术之一力传感器进行了研究.由于普通传感器在测量精度较高时,分辨率、灵敏度等均较低,不能满足系统的要求.针对普通传感器的不足,本文采用微机械工艺加工微力传感器可以大批量制量制造,且具有低成本、高精度、低驱动、高可靠性、低功耗、占用空间小、重量轻和响应速度快等优点.最后对力传感器的性能进行了分析.     

电控摩擦技术的研究进展

作为一种主动控制摩擦性能技术,电控摩擦技术可解决实际中的电接触摩擦问题和主动控制摩擦副的摩擦与磨损性能。综述电控摩擦技术的研究进展,介绍该领域已形成大量的理论体系,如自生电势、表面转移膜、化学反应膜等,展望电控摩擦技术的发展方向。微型化是机电系统的发展趋势,同时也是电控摩擦技术的研究趋势;在微机电系统或纳米机电系统领域,微电控摩擦技术或纳米电控摩擦技术有很好的应用前景。     

气缸套表面微造型与微纳米颗粒填充对摩擦学性能的影响

研究气缸套试样表面微造型技术和微纳米颗粒填充技术对缸套-活塞环摩擦副摩擦学性能的影响。在富油和贫油2种工况下,探究表面微造型和微纳米颗粒填充技术对摩擦副的摩擦因数和抗黏着磨损时间的影响。试验结果表明:在富油工况下,表面两端微造型和蛇纹石二硫化钼微纳米颗粒复合填充气缸套试样的摩擦因数最小,比机械珩磨气缸套试样的摩擦因数降低了13.99%;在贫油工况下,表面全部微造型和蛇纹石二硫化钼微纳米颗粒复合填充气缸套试样的抗黏着磨损时间最长,比机械珩磨气缸套试样的抗黏着磨损时间延长了85.79%;在试验过程中,表面微坑中的微纳米颗粒的溢出率会随着时间的延长而逐渐下降,最后趋近于0。     

伺服阀用压电型驱动器研究

研制了一种压电驱动的电-机械转换器,用于构造电液伺服阀;介绍了电-机械转换器的工作原理;优选了结构型式及尺寸,并对其动静态特性进行了测试。测试结果表明,所设计的电-机械转换器有较好的静态特性及动态特性。在开环方式反向控制算法下,静态特性中的非线性度小于1.6%,在电压范围为0~70V内的滞环小于2.3%,动态响应频宽达1.0kHz以上。由此可见,所设计的电—机械转换器有望替代现有的电磁力矩马达。     

低惯量电-机械转换器动态特性研究

设计基于DSP永磁盘式步进电机控制系统,并将该系统作为数字伺服阀低惯量电-机械转换器,采用位置和电流双闭环反馈控制研究其动态特性。实验结果表明:该电-机械转换器在100%幅值下阶跃响应达到3.5ms;25%幅0值下对应相位角滞后90°频宽达到275Hz。     

4台液压马达驱动的海洋钻井支撑转盘研制

针对机械驱动转盘和电驱动转盘存在传动链长、整机质量大,扭矩小、钻井效率低等问题。研制开发了液压驱动支撑转盘。液压马达安装在转盘机座内,配备PLC远程控制系统,可对驱动转盘的液压马达进行同步控制,还可与液压卡瓦配套使用,保证卡瓦传递较大扭矩时的稳定性。该转盘体积小,质量轻,易于实现过载保护,能更好的满足海洋钻井工艺的实际要求。     

二自由度微定位平台的研制

研制了一台压电陶瓷驱动和弹性铰链导向的一体化微定位平台,该微定位平台具有高刚度、高响应速度和高分辨率等优点。为了克服压电陶瓷驱动器伸长量较小的不足,采用杠杆放大机构增加微定位平台的位移输出。考虑驱动电路的影响,建立了微定位平台的机电耦合模型。通过试验研究了微定位平台的静动态特性,试验结果表明微定位平台的分辨率为5 nm,固有频率分别为143 Hz和180 Hz。该微定位平台可应用于纳米级的微定位。     

基于TMS320F28335的2D数字伺服阀控制器的设计

2D数字伺服阀独特的结构使其具有体积小、重量轻、抗污染能力强等优点,但其性能在很大程度上取决于其控制器的性能。该文提出了2D数字伺服阀电-机械转换器的位置和电流双闭环控制原理,以TMS320F28335为主控芯片,用全桥驱动芯片DRV8432驱动电机,用电流检测传感器ACS712检测电流,设计了2D数字伺服阀的控制器,实现了2D数字伺服阀电—机械转换器的快速无失步地在任意位置定位,兼具高响应速度和分辨率,同时提高了集成度,减小了控制器的体积。该控制器具有良好的动静态特性,实验表明,电—机械转换器的频宽为250Hz,上升时间为5.3ms;2D数字伺服阀的频宽为180Hz,上升时间为6.5ms。     

纳米精度压电马达的动力学模拟及试验

设计并制作完成了一种基于压电陶瓷逆压电效应的纳米精度压电步进马达.根据其结构简化模型,推导出该压电纳米马达在脉冲电源作用下的运动特性表达式.编写软件,设定参数对压电马达的运动性能进行模拟,结果表明了马达的线性步进运动特点.设计光栅测试系统,对压电马达样机进行运动测试,试验结果证实了模拟结构的正确性.该类压电纳米马达具有可以实现连续步进位移,步进速度快,单步分辨率小,行程长和便于利用微机实现智能控制等特点.纳米马达的位移分辨率可以达到10nm,最快速度为0.6mm/s,最长行程为5cm.     

针杆为直线电机次级的缝纫机设计

将缝纫机针杆直接设计为直线电机的次级,它能将电能直接转换成直线运动机械能,使得系统本身的结构大为简化,缝制空间可无限增大;直线电机动子用磁悬浮支撑,可以实现无接触传递力,机械摩擦损耗几乎为零,实现缝纫机的无油化结构,从而达到节能和环保的作用;并解决了缝纫机"机构配合和针杆行程可调"的技术难题,实现针杆高精度上下垂直直线运动的全新革命性的工业缝纫机产品。