可变形摩擦纳米发电机和发电方法、运动传感器和服装与流程

本发明涉及机械能发电领域，特别是一种基于可拉伸材料的可变形摩擦纳米发电机、发电方法，以及应用这种摩擦纳米发电机的运动传感器和服装。

背景技术：

纳米发电机，尤其是摩擦纳米发电机在近年来的研究和发展，实现将环境这普遍存在的微小机械能转变为电能，为我们这个社会提供了一种新型、高功率、低成本、环境友好的二次能源。迄今为止，多种模式的摩擦纳米发电机的相继发明，使得这种技术可以适用于多种不同的运动模式中，包括接触分离模式、水平滑动模式、单电极模式和自由模式等等。

随着可穿戴电子器件的迅速发展，对相应的电源设备也有更高的要求。而目前为止，还没有发展出相应的可拉伸的摩擦纳米发电机，其主要限制包括两方面，一是材料本身的可拉伸性能，另一个是发电机的电极在拉伸过程中容易发生损坏，导致发电机性能的稳定性在拉伸过程中受到影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种可变形的摩擦纳米发电机，能够通过水平方向的拉伸运动或者竖直方向的压缩运动产生电能输出。

为了实现上述目的，本发明提供一种可变形的摩擦纳米发电机，包括：

电极部件，与等电位电连接；

摩擦部件，为可变形结构；

在外力作用下，所述摩擦部件形状发生变化，与所述电极部件摩擦，撤去所述外力后，所述摩擦部件恢复初始形状，在所述电极部件与等电位之间 形成电荷流动。

优选的，初始状态时，所述电极部件与摩擦部件部分表面接触；

或者，初始状态时，所述电极部件与摩擦部件互相不接触，在外力作用下使所述电极部件和摩擦部件互相接触，撤去所述外力时，所述电极部件和摩擦部件互相分开。

优选的，所述摩擦部件与电极部件接触或摩擦之后带负电荷，电极部件上带有正电荷。

优选的，所述摩擦部件为波浪状结构、折叠状结构。

优选的，所述摩擦部件为高分子材料。

优选的，所述摩擦部件为热塑性高分子材料，通过热退火工艺加工成型。

优选的，所述摩擦部件与电极部件互相接触的表面中至少一个表面设置微米或次微米量级的微结构，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米棒、微米棒、纳米球和微米球状结构。

优选的，所述摩擦部件可承受的拉伸变形在20％以上。

优选的，所述电极部件为可拉伸结构。

优选的，所述电极部件的拉伸方向与所述摩擦部件的拉伸方向相同。

优选的，所述电极部件的拉伸结构为图形化部件。

优选的，所述电极部件包括至少1个蛇形、波浪形或者锯齿形子电极；多个子电极全部或者部分连接在一起，或者互相不连接。

优选的，还包括可拉伸基底，所述电极部件设置在所述基底上。

优选的，所述基底为拉伸模量在1MPa以下的材料。

优选的，所述基底为PDMS、橡胶、弹性纤维或莱卡纤维。

优选的，包括两个所述电极部件和一个所述摩擦部件，所述摩擦部件的相对两面与电极部件10面对面设置。

优选的，两个电极部件并联后连接在等电位；或者，两个电极部件各自连接在一个等电位上。

相应的，本发明提供一种运动传感器，包括上述任一项所述的摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机贴附在运动部位。

优选的，所述摩擦纳米发电机采用无毒无副作用、与皮肤有粘结性、有一定的形状自适应性的材料。

本发明还提供一种服装，包括上述任一项所述的摩擦纳米发电机。

相应的，本发明还提供一种摩擦发电方法，采用上述任一项所述的摩擦纳米发电机，外力施加在所述摩擦纳米发电机上，所述摩擦部件发生变形，与所述电极部件发生摩擦，撤去外力后，所述摩擦部件恢复初始形状，在电极部件与等电位之间形成电荷流动。

优选的，所述电极部件为可拉伸结构，外力施加时，所述摩擦部件与电极部件均发生变形，撤去外力后，所述摩擦部件与电极部件恢复原始形状，在电极部件与等电位之间形成电荷流动。

与现有技术相比，本发明提供的摩擦纳米发电机具有如下优点：

1、相比于传统模式的摩擦纳米发电机，本发明提供的摩擦纳米发电机采用可变形的摩擦部件，使器件具有可变形的特征。进一步的，采用可拉伸的电极部件，使发电机整体成为可拉伸发电机，可以收集拉伸运动产生的机械能用来发电。

2、这种柔性、可拉伸的摩擦纳米发电机还具有很强的形状自适应性，可以用于在任何形状的表面进行机械能采集。

3、由于材料具有很好的生物相容性，可以贴在人体皮肤的表面，用于实时监测人体的轻微运动，这种摩擦纳米发电机是制备生物运动传感器的理想器件。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1和图2为本发明实施例一的可变形摩擦纳米发电机的结构示意图；

图3为本发明实施例二的可变形摩擦纳米发电机的结构示意图；

图4为本发明可变形的摩擦纳米发电机在接触-分离模式下的工作原理示意图；

图5为本发明可变形的摩擦纳米发电机在拉伸模式下的工作原理示意图；

图6为本发明所述的可变形的摩擦纳米发电机在接触-分离模式下的输出性能，以及和对照组的对比；

图7为本发明的可拉伸的摩擦纳米发电机在拉伸模式下的输出性能，以及和对照组的对比；

图8为本发明的摩擦纳米发电机在不同曲率的曲面上的输出性能；

图9为本发明的摩擦纳米发电机用于自驱动生物运动传感器的实时监测数据和应用实物照片。

具体实施方式

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。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

实施例一：

本发明所提供的可变形的摩擦纳米发电机的结构示意图如图1所示。摩擦纳米发电机的结构包括电极部件10和摩擦部件20，其中，电极部件10与地电位电连接，摩擦部件20为可变形的波浪状结构。在外力作用下，摩擦部件20形状发生变化，与电极部件10接触面积变化，撤去所述外力后，摩擦部件20恢复初始形状，在电极部件10与地电位之间形成电荷流动，形成一种可变形的单电极结构的摩擦纳米发电机。

初始状态时，电极部件10和摩擦部件20可以互相接触，也可以互相不接触，在外力作用下使电极部件10和摩擦部件20互相接触，撤去所述外力时，电极部件10和摩擦部件20互相分开。由于摩擦部件20采用可变形结构，例如波浪形等结构，这里所述的电极部件10和摩擦部件20互相接触，是指电极部件10与摩擦部件20的很小部分接触，这样可以在受到外力作用时，使电极部件10和摩擦部件20的接触面积增大，甚至可以使电极部件与摩擦部件之间完全接触无空隙(如图4和5中所示)。

本实施例中，电极部件10连接至地电位，也可以连接在其他等电位上，例如等电位电路，只要能够提供足够的电子即可。

摩擦部件20与电极部件10在外力作用下表面互相摩擦，发生表面电荷转移，因此，在电极部件10与等电位之间形成电荷流动，如果在电极部件与等电位之间连接用电器，可以为用电器提供脉冲电流。摩擦部件20与电极部件10互相接触表面的材料的得失电子能力(即摩擦电极序)相差越大，发电机的输出越大。摩擦部件20的材料优选为绝缘体材料，更优选为高分子绝缘体材料，例如Kapton薄膜材料等。高分子绝缘材料可以选自以下材料中的一种或者几种：聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚酰亚胺、聚酰胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚异丁烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、 聚双苯酚碳酸酯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸二乙醇酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚三氟氯乙烯、对二甲苯环二体、乙烯-醋酸乙烯酯共聚物、全氟乙烯-丙烯共聚物、丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物和氯乙烯-醋酸乙烯共聚物。

摩擦部件20可以为波浪状、折叠状等可拉伸结构，在受到外力的挤压或者拉伸时可以发生变形。摩擦部件20的材料选择和形状需要保证在拉伸后还可以恢复初始形状。优选的，摩擦部件可承受的拉伸变形在20％以上。

摩擦部件20采用的材料可以为热塑性高分子材料(如Kapton等)，可以通过热退火工艺加工成型。加工后的摩擦部件材料为具有残余热应力的波浪形(或其他形状)的薄膜材料，这样，这层摩擦材料可以承受较大的拉伸变形，而且在拉伸之后可以回复到原来的形状。

摩擦部件20的表面结构影响发电机的输出性能，可以在摩擦部件与电极部件互相接触的表面中至少一个表面设置微米或次微米量级的微结构，提高其有效面积及摩擦效应。所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米棒、微米棒、纳米球和微米球状结构。

电极部件10可以为一个连续结构，例如薄膜状电极部件。大多数电极材料不具有拉伸性能，当在发电机上施加挤压等外力时，电极部件10不可被拉伸，对摩擦部件20产生挤压，只可以利用挤压的外力输出电能。

当发电机的电极部件10为可拉伸结构时，使整个发电机成为可以变形结构，可以通过图形化设计电极部件10，使电极部件10可以随着摩擦部件20的变形而拉伸。如图2中所示，电极部件10包括至少1个蛇形或者波浪形子电极101，多个子电极可以全部或者部分连接在一起，也可以互相不连接，优选为全部连接在一起。子电极101的形状不限于图2中的结构，类似蛇形结构的图形均可以，只要满足可以拉伸的要求即可，子电极形状除蛇形 外，还可以是波浪形、锯齿形等。这样，电极部件10可以承受较大的拉伸变形量，而保持其导电性不发生太大的损耗。

可以将电极部件的多个子电极设置在可拉伸的基底30上，如图2中所示，基底30和电极部件10(多个子电极101)可以在箭头所示方向拉伸，电极部件10的拉伸方向优选与摩擦部件20的拉伸方向相同。另外，图形化设计电极部件，在摩擦部件与电极部件发生比较小的变形时，与电极部件的接触面积改变较大，对外输出较大的电信号。这种结构的摩擦纳米发电机可以同时收集竖直方向压缩的机械能和水平方向拉伸的机械能。

基底30可以采用任何可拉伸的材料，可以选择具有较好的弹性和较低的拉伸弹性模量的基底材料，优选拉伸模量在1MPa以下的材料，例如大多数高分子材料，如PDMS、橡胶、弹性纤维、莱卡纤维(聚氨基甲酸酯纤维，polyurethane)等材料等。

实施例二：

本实施例的摩擦纳米发电机，如图3所示，包括两个实施例一中设置在可拉伸基底30上的图形化的电极部件10(如图2所示)，和一个可变形的摩擦部件20，摩擦部件20的相对两面与电极部件10面对面设置，形成多层结构。摩擦部件20与电极部件之间可以始终部分接触设置，也可以在外力作用下互相接触，撤去外力后互相分开。这种结构的摩擦纳米发电机，相当于两个实施例一中的发电机共用摩擦部件，各部分的结构、材料均可以与实施例一中的相同。

在电极部件自身结构具有拉伸性能的前提下，也可以省去基底，直接将拉伸结构的电极部件与摩擦部件接触设置。

两个电极部件10可以并联后连接在等电位(地电位)，也可以各自连接在一个等电位上，这样的摩擦纳米发电机可以在一次外力作用下产生两个电信号输出。

本实施例的可变形摩擦纳米发电机的工作原理如图4-5所示，可以在两种不同的工作模式下收集机械能：即接触-分离模式(图4所示)和拉伸模式(图5所示)。相同的是，整个摩擦纳米发电机都是基于两组对称的单电极式的摩擦纳米发电机的集成效果。如图4所示，在初始状态下，由于中间的摩擦部件(可以为高分子材料)20为波浪形，会将两个电极部件10完全分离开，见图4中的a。当外力(如箭头方向)施加在发电机上时，会使电极部件10和摩擦部件20发生完全接触。由于接触起电的作用，使电极部件10产生正电荷，摩擦部件20产生负电荷，见图4中的b。当外力撤销时，摩擦部件20回复到原来的波浪形状，这样又使带电表面之间发生一定程度的分离，而带电表面的分离可以使两个电极部件10和地电位之间分别产生电势差，见图4中的c，这个电势差在负载中或短路情况下可以使电子从大地流向电极部件10，以产生静电平衡。当两个电极部件10之间距离最大d_max时，电极部件10和摩擦部件20表面的电荷互相平衡，电极部件与地电位之间无电荷流动，见图4中的d。而当外力重新加载时，这个电势差会降低，从而使电子从电极部件流回大地，见图4中的e，直到带电表面之间完全重合为止，见图4中的b。

本实施例的可变形摩擦纳米发电机在拉伸模式下的工作原理如图5所示，且基本原理与4类似，都是通过两个表面的接触产生正负电荷，然后通过带电表面之间的接触和分离在地电位与电极部件10之间形成电势差的变化来驱动外电路的电子流动。与图4中的区别是：在这种模式下，电极部件10和中间的摩擦部件20的接触是通过拉伸整个摩擦纳米发电机器件两端(图5中箭头方向)来实现的。图5中示出摩擦纳米发电机从原始尺寸L₀被拉伸到最大尺寸L_max再恢复原始尺寸的工作过程。

下面介绍本实施例摩擦纳米发电机的制备过程。这种摩擦纳米发电机的制备工艺分为以下几个步骤：

一、加工顶层和底层的高分子材料。以PDMS为例，为了制备柔性的可拉伸程度较高的PDMS材料，将PDMS的单体和聚合剂以30:1的质量比混合，在除气之后将液态混合物旋涂在PET表面，然后放入烘箱中以85摄氏度恒温使其聚合。两个小时之后，将其取出，并将聚合后的PDMS从PET的表面揭下，制备出柔性、可拉伸的PDMS薄膜基底。

二、在PDMS基底上镀可拉伸电极部件。首先，利用激光切割工艺，用有机玻璃(PMMA)制备具有蛇形或者波浪形的阵列模板，然后将模板置于PDMS基底上，用磁控溅射方法在基底上镀金属电极。取下模板之后，即可得到蛇形或波浪形的子电极。这种电极部件在拉伸之后并不容易发生断裂，而保持发电机的性能稳定。

三、制备中间的波浪形高分子层(摩擦部件)。因为加工过程需要高温退火，所以这里选用耐热程度和热塑性较好的Kapton材料。具体的，将一层Kapton薄膜与一组不锈钢金属棒缠绕在一起并用两层钢板固定好。然后将其放置于300摄氏度的马弗炉里加热四个小时，然后快速取出其冷却到室温。这样，由于热应力的作用，Kapton薄膜即可被加工成波浪形。

在实验中，制备的摩擦纳米发电机大小约为3厘米×5厘米，可以测得这种摩擦纳米发电机的输出性能。其中图6表示摩擦纳米发电机在接触-分离模式下的输出性能，其中开路电压V_oc为700伏特(图6中的(a))，短路电流I_sc为75微安(图6中的(c))，转移电荷量Q_tr为160纳库(图6中的(b))，有效输出功率5瓦每平方米(图6中的(e))。随着机械能频率的增加短路电流I_sc增加(图6中的(d))。图6中的(f)是发电机在手拍打时点亮多个LED灯的实物照片。通过对比试验，可以看出这种结构的摩擦纳米发电机相比于中间的摩擦部件是平面状高分子的摩擦纳米发电机的结构在输出性能上有很大优势。

图7表示了在拉伸模式下的输出性能，同样，图中列出了对比试验通过 对比试验，采用平面状摩擦部件(Planar)波浪状摩擦部件(Wavy)分别进行了开路电压V_oc、短路电流I_sc和转移电荷量Q_tr测试，可以看出本实施例这种结构的摩擦纳米发电机相比平面状摩擦部件的摩擦纳米发电机在输出性能和最大可承受拉伸应变(22％)上有很大优势，并且多次循环获得的电能输出性能稳定，图7中的(d)所示在3600次循环时，发电机的电输出基本稳定不变。

图8表示了这种结构的摩擦纳米发电机在不同曲率(Curvature)的曲面上的发电效果，表明这种结构的发电机随着曲率变化，发电性能基本稳定，发电机具有很好的形状自适应性能。

实施例三：

本发明还提供一种摩擦发电方法，采用实施例一或实施例二的可变形摩擦纳米发电机，外力(机械能)施加在摩擦纳米发电机上，摩擦部件发生变形，与电极部件发生摩擦，撤去外力后，所述摩擦部件恢复初始形状，在电极部件与等电位之间形成电荷流动。在外力施加时和撤去外力时，摩擦部件与电极部件的接触面积发生变化。

在电极部件为可拉伸结构时，外力施加时，摩擦部件与电极部件均发生变形，撤去外力后，所述摩擦部件与电极部件恢复原始形状，在电极部件与等电位之间形成电荷流动。

实施例四：

实施例一和实施例二的可变形摩擦纳米发电机不仅可以用来收集机械能，还可以贴在人体不同位置的皮肤表面，用于实时监测人体运动的信息，如图9所示的肘部(Elbow)、膝部(Knee)、臂部(Bicep)、喉部、颈部等部位，摩擦纳米发电机应用在不同部位，其输出电信号的幅度、频率等均不同。

摩擦纳米发电机的材料选择对人体(或者动物体)无毒无副作用、与皮 肤有很好的粘结性、有一定的形状自适应性的材料，特别是与皮肤直接接触的基底的材料优选满足上述条件，例如PDMS薄膜。

具体的工作原理是人体发生轻微运动时，会使摩擦纳米发电机的电极部件和摩擦部件的几个表面之间发生周期性的接触和分离，从而产生相应的电信号。通过分析电信号的大小、极性和频率可以得到关于人体轻微运动的幅度和频率等信息。同时考虑到本发明提供的摩擦纳米发电机具有很好的形状自适应性，因此对皮肤的轻微变形可以非常敏感，因此有助于提高检测的灵敏度。这种自驱动的生物运动检测在未来的医疗监护、睡眠质量检测等领域会有重要的潜在应用。

本发明提供的摩擦纳米发电机，除了可以直接贴附在皮肤上外，也可以设置在服装(这里所述的包括衣服、背包、鞋等)上，将摩擦发纳米电机设置在人体运动关节部位相应的位置，在人体运动时摩擦纳米发电机被挤压或者拉伸，作为传感器或者发电机，通过人体的轻微运动驱动摩擦纳米发电机发电，并通过测量输出的电信号来监测人体运动的情况。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。