可拉伸摩擦发电机和制备方法与流程

本发明涉及微能源领域，尤其涉及一种可拉伸摩擦发电机和制备方法。

背景技术：

采集周围环境中各种形式的机械能,然后转化为电能输出,成为微能源领域的研究热点。人体本身由于肢体运动，每天产生十分可观的机械能，将其转化为电能为小型可穿戴电子设备供电，成为缓解能源危机和电池寿命有限等问题的重要途径。

基于摩擦起电和静电感应原理的摩擦发电机具有输出高、成本低、加工制造简单、材料选择和器件结构多样化、能量转化效率高等优点，在收集人体运动能量方面展现了突出的优势并受到研究者的广泛关注。

目前，摩擦发电机的电极材料多为金属或导电无机氧化物等硬质材料，难以满足可穿戴设备对柔性和可拉伸性的要求，一些通过在现有织物上添加导电材料作为电极的摩擦发电机，虽然可与现有衣服集成，但其单电极的工作模式使器件能量转化效率低，并且编织结构和不可拉伸的特点，使其必须贴附到衣服上才能正常工作，限制了器件在采集人体多种运动形式能量上的应用。

技术实现要素：

本发明的实施例提供了一种可拉伸摩擦发电机和制备方法,能基于摩擦起电原理收集人体运动能，制造工艺方便，容易实现。

为了实现上述目的，本发明采取了如下技术方案。

一种可拉伸摩擦发电机，包括：

可拉伸衬底、第一可拉伸电极、第二可拉伸电极、由第一可拉伸摩擦材料组成的正极性摩擦层、由第二可拉伸摩擦材料组成的负极性摩擦层；

其中，所述第一可拉伸电极和所述第二可拉伸电极间隔设置在所述可拉伸衬底上面，所述正极性摩擦层位于所述第一可拉伸电极之上；所述负极性摩擦层位于所述第二可拉伸电极之上。

一种可拉伸摩擦发电机的制备方法，包括：

步骤1，分别制备第一可拉伸电极和第二可拉伸电极；

步骤2，制备可拉伸衬底；

步骤3，将所述第一可拉伸电极和所述第二可拉伸电极间隔设置在所述可拉伸衬底的上表面；

步骤4，在所述第一可拉伸电极的上表面涂覆一层失去电子后带正电的具有拉伸性的材料，制备成由第一可拉伸摩擦材料组成的正极性摩擦层；

步骤5，在所述第二可拉伸电极的上表面涂覆一层得到电子后带负电的具有拉伸性的绝缘材料，并固化，制备成由第二可拉伸摩擦材料组成的负极性摩擦层；

由上述本发明的实施例提供的技术方案可以看出，本发明的结构简单，制造工艺方便，容易实现。

本发明附加的方面和优点将在下面的描述中部分给出，这些将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述的可拉伸摩擦发电机的一实施例的主视图；

图2为本发明所述的可拉伸摩擦发电机的另一实施例的主视图；

图3为本发明所述的可拉伸摩擦发电机的另一实施例的俯视图；

图4为本发明所述的可拉伸摩擦发电机的制备方法的流程示意图；

图5为本发明所述的可拉伸摩擦发电机的应力应变曲线；

图6(a)为该可拉伸摩擦发电机的输出电压波形。

图6(b)为该可拉伸摩擦发电机为电容充电曲线。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施方式，所述实施方式的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施方式是示例性的，仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

如图1所示，为本发明的一种可拉伸摩擦发电机，包括：

可拉伸衬底1、第一可拉伸电极21、第二可拉伸电极22、由第一可拉伸摩擦材料组成的正极性摩擦层31、由第二可拉伸摩擦材料组成的负极性摩擦层32；

其中，所述第一可拉伸电极21和所述第二可拉伸电极22间隔设置在所述可拉伸衬底1上面，所述正极性摩擦层31位于所述第一可拉伸电极21之上；所述负极性摩擦层位32于所述第二可拉伸电极22之上。

如图2和图3所示，所述第一可拉伸电极21包括：第一可拉伸电极支撑结构211、第一电极导电材料层212；

所述第一可拉伸电极支撑结构211位于所述可拉伸衬底1的上表面；

所述第一电极导电材料层212附着于所述可拉伸电极支撑结构211的上表面,所述可拉伸电极支撑结构211作为第一电极导电材料层的导电材料的附着支撑结构。

所述第二可拉伸电极22包括：第二可拉伸电极支撑结构221、第二电极导电材料层222；

所述第二可拉伸电极支撑结构221位于可拉伸衬底1的上表面；

所述第二电极导电材料层222附着于所述第二可拉伸电极支撑结构221的上表面。所述第二可拉伸电极支撑结构221用于作为第二电极导电材料层222的导电材料提供吸附和支撑结构。

所述可拉伸衬底1为由具有拉伸性的薄膜绝缘材料组成；

所述第一可拉伸电极支撑结构21为由具有三维孔隙结构的可拉伸绝缘材料组成；其中，三维孔隙结构指材料内部具有密集的孔洞或者缝隙的结构，可使溶液由材料表面渗透到材料内部。

所述第二可拉伸电极支撑结构22为由具有三维孔隙结构的可拉伸绝缘材料组成；

所述第一电极导电材料层31和所述第二电极导电材料层32为由纳米导电材料或导电聚合物组成；

所述第一可拉伸摩擦材料为具有拉伸性的、失去电子后带正电的纳米材料；

第二可拉伸摩擦材料为具有拉伸性的、得到电子后带负电的绝缘材料。

所述可拉伸衬底为由具有拉伸性的薄膜绝缘材料组成具体为：所述可拉伸衬底为由聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、聚乙烯醇(PVA)、或共聚酯材料组成；

所述第一可拉伸电极支撑结构为由具有三维孔隙结构的可拉伸绝缘材料组成具体为，所述第一可拉伸电极支撑结构由多层纺丝结构的聚氨酯材料、多层纺丝结构的聚乙烯醇、或多孔聚二甲基硅氧烷组成；

所述第一电极导电材料层和所述第二电极导电材料层为由纳米导电材料或导电聚合物组成具体为：所述第一电极导电材料层和所述第二电极导电材料层为由银纳米线AgNW、碳纳米管CNT、氧化石墨烯rGO、聚苯胺PANI、聚吡咯PPy、或聚乙烯二氧噻吩PEDOT组成；

所述第一可拉伸摩擦材料为银纳米线、碳纳米管、或氧化石墨烯；

第二可拉伸摩擦材料为聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇、或硅橡胶。

如图4所示，为本发明的一种可拉伸摩擦发电机的制备方法，包括：

步骤41，分别制备第一可拉伸电极和第二可拉伸电极；

步骤42，制备可拉伸衬底；

步骤43，将所述第一可拉伸电极和所述第二可拉伸电极间隔设置在所述可拉伸衬底的上表面；

步骤34，在所述第一可拉伸电极的上表面涂覆一层失去电子后带正电的具有拉伸性的材料，制备成由第一可拉伸摩擦材料组成的正极性摩擦层；

步骤45，在所述第二可拉伸电极的上表面涂覆一层得到电子后带负电的具有拉伸性的绝缘材料，并固化，制备成由第二可拉伸摩擦材料组成的负极性摩擦层；

所述制备第一可拉伸电极的步骤包括：

步骤411，通过静电纺丝的方法，将可拉伸绝缘材料薄膜加工为三维孔隙结构，制成第一可拉伸电极支撑结构；

步骤412，采用滴蘸的方式，将纳米导电材料或导电聚合物的溶液添加到第一可拉伸电极支撑结构的上表面，并通过热板烘烤将溶剂蒸发，留下所述纳米导电材料或导电聚合物，制备成第一电极导电材料层；

步骤413，重复步骤412，直至所述第一可拉伸电极支撑结构的方阻降为预定值，从而制备成第一可拉伸电极。

所述步骤42包括：

将具有拉伸性的薄膜绝缘材料和交联剂混合成为混合粘液，静置预定时间以去除混合粘液中的气泡；

在玻璃表面旋涂一层所述混合粘液，制备成可拉伸衬底。光滑表面例如为玻璃。玻璃提供一个平面，其他任何平整表面也都可以，用以将溶液铺开制成薄膜，并不作为器件的一部分。

以下描述本发明的应用场景。

本发明提供一种可拉伸摩擦发电机，可保形、方便的贴附于衣物表面或直接贴在皮肤表面,以采集人体运动的能量。

一种可拉伸摩擦发电机，包含：

可拉伸衬底、可拉伸电极支撑结构、电极导电材料、正极性摩擦层性可拉伸摩擦材料、正极性摩擦层性可拉伸摩擦材料。

其中，电极导电材料附着于可拉伸电极支撑结构内部及表面，附着在电极支撑结构的三维孔隙结构的表面而形成导电网络，二者共同构成可拉伸电极。

可拉伸电极位于可拉伸衬底表面；正极性摩擦层性可拉伸摩擦材料和负极性摩擦层性可拉伸摩擦材料分别位于不相连的可拉伸电极表面。

所述可拉伸衬底为由具有拉伸性的薄膜绝缘材料组成，如聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、硅橡胶、聚乙烯醇(PVA)、共聚酯材料等。

所述可拉伸电极支撑结构为由具有三维孔隙结构的可拉伸绝缘材料组成，如多层纺丝结构的聚氨酯材料(TPU)，多层纺丝结构的聚乙烯醇，多孔聚二甲基硅氧烷等。

所述电极导电材料为导电良好的纳米导电材料或导电聚合物，如银纳米线(AgNW)、碳纳米管(CNT)、氧化石墨烯(rGO)、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)等。

所述正极性摩擦层性可拉伸摩擦材料为易失电带正电的纳米材料，如银纳米线、碳纳米管、氧化石墨烯等。

所述负极性摩擦层性可拉伸摩擦材料为容易得到电子带负电的可拉伸绝缘材料，如聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇、硅橡胶等。

本发明还提供了一种可拉伸摩擦发电机制备方法，包括以下步骤：

步骤1)通过静电纺丝工艺，将聚氨酯(TPU)溶液加工成具有三维孔隙结构的纺丝薄膜，作为可拉伸电极支撑结构。

步骤2)采用滴蘸纳米材料溶液的方式，使CNT附着到聚氨酯薄膜纺丝结构表面，加热将溶剂蒸发，形成具有三维导电网络结构的可拉伸电极；

步骤3)通过旋涂或自流平方法，将聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)溶液覆盖于硅基片或其他水平表面上，制成PDMS薄膜。

步骤4)将两块适当尺寸的可拉伸电极贴附在旋涂好的PDMS薄膜表面，加热将其固化。

步骤5)采用自流平工艺在其中一块电极表面涂覆一层PDMS薄膜，加热固化，作为负极性摩擦层性摩擦材料。

步骤6)采用滴涂方式在另一块电极表面涂覆一层AgNW，作为正极性摩擦层性摩擦材料。

所述步骤1)中，TPU溶液的溶质可以为TPU颗粒，溶剂可以为N,N-二甲基甲酰胺(N，N-dimethyl formamide，DMF)和四氢呋喃(Tetrahydrofuran，THF)可以按照2:3配比的混合溶液，溶质质量分数可以为12％-15％，静电纺丝工艺参数为所加电压为15-20kV,液体补给速度可以为0.5-2ul/min,纺丝接收距离为8-15cm,接收时间为20-40min。

所述步骤2)中，CNT溶液溶质为CNT与表面活性剂十二烷基苯磺酸钠(sodium dodecyl benzene sulfonate,SDBS),溶剂为去离子水，CNT和SDBS的浓度均可以为1-4mg/ml，溶液超声时间可以为4小时，电极电阻可以为50-500Ω。

所述步骤3)中，PDMS单体和交联剂的配比可以为10：1，膜厚为100-500um。

所述步骤4)中，可拉伸电极的尺寸可以为9-25cm²，两电极间距可以为2-5mm,加热固化温度可以85℃，时间可以为15-30min。

所述步骤5)中，PDMS薄膜厚度为50-100um，固化温度为85℃，时间可以为15-30min。

所述步骤6)中,AgNW厚度可以为10-30um。

以上所述制备步骤，其工艺顺序并非固定不变，根据实际需要可调整工艺顺序或删减工艺步骤。以上各个参数只是举例说明你，也可以根据实际情况设置。

以下描述本发明制备方法的另一实施例。具体加工步骤如下：

步骤1)，通过静电纺丝的方法加工聚氨酯材料薄膜，膜厚为40-100um,制备成可拉伸电极支撑结构2；

步骤2)，采用滴蘸的方式将银纳米线(AgNW)溶液添加到聚氨酯薄膜表面，并通过热板烘烤将溶剂蒸发，留下AgNW作为纳米导电材料3；

步骤3)重复步骤2，直至聚氨酯薄膜方阻降为50-100Ω/cm²，得到可拉伸电极，该可拉伸电极由结构2和3共同组成。

步骤4)将聚二甲基硅氧烷单体(polydimethylsiloxane，PDMS)和交联剂按照10:1的比例混合均匀，静置30分钟去除混合粘液中的气泡；

步骤5)通过旋涂的方法，在玻璃表面旋涂一层上述混合粘液，厚度为100-500um，作为可拉伸衬底1；

步骤6)将两块适当尺寸的可拉伸电极贴附在旋涂好的PDMS薄膜表面，并在90℃条件下固化5-10分钟。

步骤7)采用滴涂方式在一块电极表面涂覆一层AgNW，作为正极性摩擦层性摩擦材料4；

步骤8)利用PDMS的自流平工艺将PDMS混合粘液涂覆于另一块可拉伸电极表面，加热将其固化，作为负极性摩擦层性可拉伸摩擦材料5；

步骤9)将PDMS薄膜从玻璃表面揭下并裁剪为合适尺寸。

以上所述制备步骤，其工艺顺序并非固定不变，根据实际需要可调整工艺顺序或删减工艺步骤。

图5为该可拉伸摩擦发电机的应力应变曲线；参照图6(a),采用以上步骤所制备出的可拉伸摩擦发电机，在5Hz的外加振动下，输出电压峰峰值为670V。参照图6(b)，该压电摩擦复合式微纳发电机在5Hz的外加振动下，在100s内可将1μF的电容充电至10V。

本发明所提供的可拉伸摩擦发电机可以应用于以下领域：

1、本发明的摩擦发电机只有一片薄膜，可用于贴附在人体或者衣服表面。双电极的工作模式使该器件的输出电压大幅提高，且对外界材料选择性低，可将其与日常生活中任意经常产生接触分离的部件相结合，如鼠标垫表面、手机背面、衣服表面、鞋底、桌椅板凳表面等,随时随地采集机械能。

2、由于器件为薄膜结构，并且具备可拉伸特性，可以实现不规则曲面的保形覆盖，并且衬底采用具有生物兼容性的聚合物材料，将其贴附于人体皮肤表面可随时收集人体运动的机械能，为便携式低功耗电子设备供电。也就是说，本发明所提供的可拉伸摩擦发电机，可以应用于微型可穿戴设备供能、物联网传感器供能等领域。

3、该器件只要有其他材料与表面产生接触分离或者相对滑动便会在外电路输出电压信号，可将器件与报警器相结合，放置在门缝、皮包表面、保险箱内部、书页之间等需要保密的位置，在有外界干扰出现时，产生触发信号进行警报。

本发明优点在于：

1、本发明提出的可拉伸摩擦发电机是基于双电极工作模式，输出电压高，且对外部接触材料选择性低。

2、本发明提出的可拉伸摩擦发电机可拉伸的特性可以使其实现皮肤的保形覆盖，在关节处直接通过器件弯折产生输出，在非关节处也可随人体运动产生相应形变，对衣物等材料的接触分离、滑动等多种运动形式进行能量采集，且可贴附于其他任意形状物体表面进行能量采集，工作方式灵活，适用范围广泛.

4、本发明提出的可拉伸摩擦发电机结构简单、制作方便、成本低、适于大规模商业化生产。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。