本发明涉及微纳能源技术领域，具体地，涉及一种纳米发电机及其制造方法。
背景技术：
智慧城市和物联网的极速发展触发了微小型电子产品自动从周围环境中获取能量的自然需求。近年来，各种类型的纳米发电机不断涌现，更新着人们对能量收集的传统概念，为这些电子产品利用风能、热能、振动能、声波能等微能源提供了创新的技术支撑。目前，基于多种效应耦合的复合型纳米发电机已被证明能够有效地收集环境中转动、振动、滑动等运动方式下产生的能量，并成功驱动了多种微小型电子产品。但是，现有的单一纳米发电机或复合型纳米发电机在结构上具有局限性，不能完全覆盖生活中常见的运动形式，在收集伸缩运动产生的机械能时具有很大困难。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种纳米发电机及其制造方法，以解决上述现有技术中存在的问题。
为了实现上述目的，本发明提供一种纳米发电机，其中，该纳米发电机包括弹性部件、第一发电部件和第二发电部件，所述第一发电部件和所述第二发电部件通过所述弹性部件连接形成相对的拱形结构，具有拱形结构的所述第一发电部件和所述第二发电部件在伸缩运动中发生形变，并基于该形变产生并输出电信号。
为了实现上述目的，本发明提供一种制造纳米发电机的方法，其中，该 方法包括：制备第一发电部件和第二发电部件；以及利用弹性部件将所述第一发电部件和所述第二发电部件连接形成相对的拱形结构，其中具有拱形结构的所述第一发电部件和所述第二发电部件在伸缩运动中发生形变，并基于该形变产生并输出电信号。
通过上述技术方案，所述第一发电部件和所述第二发电部件可以利用所述弹性部件连接形成相对的拱形结构，从而具有拱形结构的所述第一发电部件和所述第二发电部件可以在伸缩运动中发生形变，并基于该形变产生并输出电信号。由此能够将伸缩运动中的机械能转换为电能，实现对周围环境中机械能到电能的转换。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是根据本发明实施方式的纳米发电机的方框图；
图2是根据本发明实施方式的纳米发电机的结构示意图；
图3是根据本发明实施方式的纳米发电机处于静止状态的结构示意图；
图4是根据本发明实施方式的纳米发电机处于拉伸状态的结构示意图；
图5a和5b是根据本发明实施方式的纳米发电机的摩擦发电的输出电信号图；
图6a和6b是根据本发明实施方式的纳米发电机的磁电发电的输出电信号图；以及
图7是根据本发明实施方式的制造纳米发电机的方法的流程图。
附图标记说明
1第一发电部件2第二发电部件3弹性部件
11第一摩擦层12第一电极13第一基底
14线圈21第二摩擦层22第二电极
23第二基底24磁铁4固定部件
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
图1是根据本发明实施方式的纳米发电机的方框图。
如图1所示，根据本发明一种实施方式的纳米发电机包括弹性部件3、第一发电部件1和第二发电部件2，所述第一发电部件1和所述第二发电部件2通过所述弹性部件3连接形成相对的拱形结构，具有拱形结构的所述第一发电部件1和所述第二发电部件2在伸缩运动中发生形变，并基于该形变产生并输出电信号。
其中，具有拱形结构的所述第一发电部件1和所述第二发电部件2具有柔性可弯曲的特性。
通过上述技术方案，所述第一发电部件和所述第二发电部件可以利用所述弹性部件连接形成相对的拱形结构，从而具有拱形结构的所述第一发电部件和所述第二发电部件由于具有柔性可弯曲的特性而可以在伸缩运动中发生形变，并基于该形变产生并输出电信号。由此能够将伸缩运动中的机械能转换为电能，实现对周围环境中机械能到电能的转换。
图2是根据本发明实施方式的纳米发电机的结构示意图。
如图2所示，所述第一发电部件1包括第一摩擦层11、与所述第一摩擦 层11接触设置的第一电极12和线圈14；所述第二发电部件2包括第二摩擦层21、与所述第二摩擦层21接触设置的第二电极22和磁铁24。
其中，在存在伸缩运动作用时所述第一摩擦层11和所述第二摩擦层21相互接触和分离，并通过所述第一电极12和所述第二电极22输出电信号，并且所述线圈14和所述磁铁24在所述第一摩擦层11和所述第二摩擦层21相互接触和分离的过程中发生相对运动，并通过所述线圈14输出电信号。
由此，使用本发明上述的纳米发电机在伸缩运动过程中可以同时产生两种电信号，显著提高了机械能到电能的转化效率。
此外，本发明所述的纳米发电机还可以包括固定部件4，用于将通过所述弹性部件连接的第一发电部件1和所述第二发电部件2的两端固定(如图2中所示)。其中，该固定部件4可以用作拉伸纳米发电机的把手。
根据本发明一种实施方式，所述第一摩擦层11表面和所述第二摩擦层21表面存在得失电子能力差异。根据摩擦效应，由此在二者接触的表面将聚集不同的电荷，进而产生电信号。
根据本发明一种实施方式，所述第一发电部件1还包括第一基底13，用于支撑所述第一摩擦层11和所述第一电极12；所述第二发电部件2还包括第二基底23，用于支撑所述第二摩擦层21和所述第二电极22。所述第一基底13和所述第二基底23可以均为柔性可弯曲基底。
其中，所述线圈14设置在第一基底13上，而所述磁铁24设置在第二基底23上。所述线圈14和所述磁铁24分别随所述第一发电部件1和所述第二发电部件2的运动(形变)而运动。
优选的，所述第一摩擦层11、第一电极12、第一基底13和线圈14均可以为薄层结构，依次层叠设置；第二摩擦层21、第二电极22、第二基底23和磁铁24同样可以均为薄层结构，依次层叠设置。
此外，所述第一基底13与所述第一电极12之间还设置有缓冲层；同样 地，所述第二基底23与所述第二电极22之间也设置有缓冲层。
图3是根据本发明实施方式的纳米发电机处于静止状态的结构示意图。图4是根据本发明实施方式的纳米发电机处于拉伸状态的结构示意图。
图5a和5b是根据本发明实施方式的纳米发电机的摩擦发电的输出电信号图。图6a和6b是根据本发明实施方式的纳米发电机的磁电发电的输出电信号图。
如图3所示，在静止状态下，第一发电部件1和所述第二发电部件2之间呈拱形结构，二者之间存在一定的距离。
所述纳米发电机在存在伸缩运动时，第一发电部件1与第二发电部件2能够互相接触分离(在充分拉伸的情况下，第一发电部件1与第二发电部件2完全接触，如图4所示)。一方面，第一摩擦层11与第二摩擦层21不断接触分离，由于第一摩擦层11与第二摩擦层21的表面存在得失电子能力差异，根据摩擦效应，将在两个互相接触的表面聚集不同的电荷，电荷经由外电路在第一电极12与第二电极22之间转移，从而对外输出电信号(如图5a和5b所示，其中图5a为摩擦发电的电流输出信号图，图5b为摩擦发电的电压输出信号图)；另一方面，线圈14和磁铁24发生相对运动，能够不断靠近和远离，使穿过线圈14的磁通量变化，根据电磁效应，磁通量的变化使得线圈14中产生感应电流，从而对外输出电信号(如图6a和6b所示，其中图6a为磁电发电的电流输出信号图，图6b为磁电发电的电压输出信号图)。
其中，对所述纳米发电机的输出电流和输出电压可以分别使用keithely生产的2611b和6514仪表进行测试。例如，如图5a和5b所示，测得第一电极12和第二电极22之间的短路电流为48微安，并联100兆欧电阻后的电压输出为125伏特。如图6a和6b所示，测得线圈14两个端口之间的短路电流约为7.6毫安，开路电压约为6.3伏特。
根据本发明一种实施方式，所述弹性部件3可以为伸缩带或弹簧，也可以为其他具有优良弹性性能的部件。并且，所述弹性部件3的数量可以为一个或多个。
例如，在图2中，所述弹性部件3为两条伸缩带，置于第一发电部件1和第二发电部件2中间，二者水平对称分布于第一发电部件1和第二发电部件2两侧。本领域技术人员应当理解，该示例仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。
其中，所述弹性部件3的可拉伸形变量可以大于1cm。
根据本发明一种实施方式，所述第一摩擦层11和所述第二摩擦层12的材料均为绝缘体材料或半导体材料；或者所述第一摩擦层11的材料为导体材料，而所述第二摩擦层12的材料为半导体材料或绝缘体材料；或者所述第二摩擦层12的材料为导体材料，而所述第一摩擦层11的材料为半导体材料或绝缘体材料。
其中，在所述第一摩擦层11或所述第二摩擦层12的材料选为导体材料时，可以将与导体材料接触设置的电极省略。
在上述实施方式中，所述绝缘体材料可以选自以下中的至少一种：甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯、聚丙烯、聚异丁烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚苯乙烯、聚酯、聚氨酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯和液晶高分子聚合物。
根据本发明一种实施方式，所述第一摩擦层11或所述第二摩擦层21选取的导体材料可以选自金、银、铝和铜中的一种或者由金、银、铝和铜中至少二者形成的合金。
根据本发明一种实施方式，所述第一电极12和所述第二电极22的材料可以均为导体材料，该导体材料可以选自金、银、铝、铜和氧化铟锡中的一种。
本领域技术人员应当理解，上述关于材料的描述仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。例如，对于所述第一摩擦层11或所述第二摩擦层21而言，只要是具有得失电子能力差异的材料就可以，并不限于上述描述的材料。
根据本发明一种实施方式，所述线圈14可以为平面线圈。其中，所述线圈14可以通过丝网印刷、喷墨打印和绕线法中的任一种方法制作。为了不混淆本发明，对于线圈14的制作本发明不再赘述。
图7是根据本发明实施方式的制造纳米发电机的方法的流程图。
如图7所示，本发明一种实施方式的制造纳米发电机的方法包括：
s700，制备第一发电部件和第二发电部件；以及
s700，利用弹性部件将所述第一发电部件和所述第二发电部件连接形成相对的拱形结构，其中具有拱形结构的所述第一发电部件和所述第二发电部件在伸缩运动中发生形变，并基于该形变产生并输出电信号。
通过上述技术方案，所制备的第一发电部件和所述第二发电部件可以利用弹性部件连接形成相对的拱形结构，从而具有拱形结构的所述第一发电部件和所述第二发电部件由于具有柔性可弯曲的特性而可以在伸缩运动中发生形变，并基于该形变产生并输出电信号。由此能够将伸缩运动中的机械能转换为电能，实现对周围环境中机械能到电能的转换。
其中，步骤s700包括：
制备第一基底和第二基底；
在所述第一基底的一个表面上形成第一电极，在所述第二基底的一个表面上形成第二电极；
在所述第一电极上形成第一摩擦层，在所述第二电极上形成第二摩擦层；
在所述第一基底的另一个表面上形成线圈，在所述第二基底的另一个表面上形成磁铁，
其中，所述第一摩擦层、所述第一电极、所述第一基底和所述线圈构成所述第一发电部件，所述第二摩擦层、所述第二电极、所述第二基底和所述磁铁构成所述第二发电部件，在存在伸缩运动作用时所述第一摩擦层和所述第二摩擦层相互接触和分离，并通过所述第一电极和所述第二电极输出电信号，并且所述线圈和所述磁铁在所述第一摩擦层和所述第二摩擦层相互接触和分离的过程中发生相对运动，并通过所述线圈输出电信号。
根据本发明一种实施方式，通过在所述第一基底的一个表面上沉积导体材料形成第一电极，通过在所述第二基底的一个表面上粘贴导体材料形成第二电极。
其中，沉积的导体材料可以为氧化铟锡，粘贴的导体材料可以为导电玻纤布。
根据本发明一种实施方式，通过在所述第一电极上粘贴绝缘薄膜形成第一摩擦层，通过在所述第二电极上旋涂绝缘体材料形成第二摩擦层。
其中，绝缘薄膜可以为氟化乙烯丙烯共聚物(fep)薄膜，而旋涂的绝缘体材料可以为二甲基硅氧烷(pdms)。
在该实施方式中，所描述的第一摩擦层和第二摩擦层的材料均为绝缘体材料。可替换地，所述第一摩擦层和所述第二摩擦层的材料也可以均为半导体材料；或者所述第一摩擦层的材料为导体材料，而所述第二摩擦层的材料为半导体材料或绝缘体材料；或者所述第二摩擦层的材料为导体材料，而所述第一摩擦层的材料为半导体材料或绝缘体材料。
下面结合实例对本发明所述的纳米发电机的制作过程进行描述。
切割两个长200mm×宽68mm×厚0.25mm的pet板作为纳米发电机的第一基底13和第二基底23，并用亚克力胶在第一基底13和第二基底23外侧中间部位分别固定长方形平面线圈(长30mm×宽12mm，匝数2000)和长方形钕铁硼磁铁(长30mm×宽10mm)。在第一基底的内侧沉积氧化铟锡 (ito)作为第一电极12，然后粘贴长200mm×宽40mm×厚0.03mm的fep薄膜作为第一摩擦层11；在第二基底23的内侧粘贴200mm×宽40mm×厚0.2mm的导电玻纤布作为第二电极22，导电玻纤布由玻纤布在银纳米线的乙醇溶液中浸泡得到，并在其表面旋涂聚二甲基硅氧烷(pdms)作为第二摩擦层21。在第一基底13的长边边缘分别固定2根长180mm宽10mm×厚0.2mm的弹力带(弹性部件3)，当弹力带自然伸缩状态下使第一基底13成拱形结构，将第二基底23与第一基底13相对放置并固定。在两个基底短边分别粘贴长100mm×宽15mm×厚10mm的亚克力作为把手(固定部件4)。当在纳米发电机的两端施加一定拉力时，弹力带受力拉伸使第一基底13的fep和第二基底23的pdms互相接触，当拉力释放后，弹力带恢复原有长度，纳米发电机恢复拱形结构，fep和pdms互相分离，在第一电极12与第二电极22之间产生摩擦电荷的转移，同时在线圈14的两个端口产生磁电信号。
上述示例仅仅是示例性的，并非用于限定本发明。
从上述实施方式可以看出，本发明上述的纳米发电机能够将伸缩运动中的机械能转换为电能，实现对周围环境中机械能到电能的转换；并且结构简单，制作材料易于获得，具有成本低的优点。
以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。