一种摩擦发电机及其制备方法与流程

本发明涉及发电技术领域，特别涉及一种摩擦发电机及其制备方法。

背景技术：

目前，随着可拉伸电子器件和可穿戴电子器件的飞速发展，人们急需一种用于可拉伸电子器件和可穿戴电子器件的供能器件，并且，随着能源问题和环境问题的日益突出，一种可以收集周围环境能量的可拉伸能源器件作为可拉伸电子器件和可穿戴电子器件的供能器件有着重要的意义，而摩擦发电机作为一种新型的发电装置，其利用摩擦效应和静电感应效应能够将及其微小的机械能转换为能够利用的电能，如水的运动、风的运动、日常生活中物体的运动、人体的运动等等都可以成为摩擦电发电机的动力源，因此，摩擦发电机能够成为用于可拉伸电子器件和可穿戴电子器件的一种品质优良的供能器件。

但是，目前的摩擦发电机中，具备可拉伸性能的摩擦发电机通常只能收集一种运动形式的能量，进而降低了摩擦发电机的适用性，并且，现有摩擦发电机并不防水。

因此，如何提供一种能够防水并且适用性好的摩擦发电机是本领域技术人员亟需解决的技术问题之一。

技术实现要素：

本发明提供了一种摩擦发电机及其制备方法，该摩擦发电机的防水性能好，且该摩擦发电机具有高度的柔性，可拉伸性能好，进而提高其适用性。

为达到上述目的，本发明提供以下技术方案：

一种摩擦发电机，包括发电单元和柔性包覆层，其中：

发电单元包括第一电极层、摩擦层、第二电极层，其中所述第一电极层、摩擦层、第二电极层由可拉伸材料制备，所述摩擦层与第二电极层之间具有空气层，且所述第一电极层形成于所述摩擦层背离所述第二电极层的一侧表面；

所述柔性包覆层由可拉伸材料制备，且所述柔性包覆层包覆于所述发电单元外侧以将所述发电单元密封。

上述摩擦发电机中，发电单元中的第一电极层、第二电极层、摩擦层均由可拉伸的材料制备，并且，包覆在发电单元外侧的柔性包覆层也由可拉伸材料制备，因此，上述摩擦发电机能够进行任意扭曲、拉伸等变形，当摩擦发电机发生变形时，发电单元利用第二电极层与摩擦层之间的摩擦效应以及静电感应效应等把极其微小的机械能转化为电能，上述摩擦发电机的变形方式多种多样，因此上述摩擦发电机的受力方式也是多种多样的，只要能够使摩擦发电机发生变形即可，因此，其可以利用多种运动形式的能量，其适用性较好。并且，发电单元的外侧包覆有由可拉伸材料制备的柔性包覆层，进而能够将整个发电单元密封，其防水性较好。

优选地，所述第一电极层和第二电极层的制备材料为由碳黑材料和液态的硅胶材料混合后固化得到的可拉伸材料，且，碳黑材料与硅胶材料的质量比为1:5～1:15。

优选地，所述导电复合材料中，碳黑材料与硅胶材料的质量比为1:12。

优选地，所述柔性包覆层为由硅胶材料制备的柔性包覆层，且所述第一电极层与所述柔性包覆层粘结，所述第二电极层与所述柔性包覆层粘接。

优选地，所述发电单元具有长方体结构，且沿所述发电单元的厚度方向，所述第一电极层、摩擦层、第二电极层依次排列。

优选地，所述发电单元具有圆柱体结构，所述第二电极层为圆柱状结构，且所述摩擦层为与所述第二电极层同轴设置的圆筒结构，所述第一电极层为与所述第二电极层同轴的圆筒状结构。

优选地，所述摩擦发电机为摩擦纳米发电机。

本发明还提供了一种上述技术方案中提供的任意一种摩擦发电机的制备方法，该制备方法包括：

采用可拉伸材料形成一结构件，其中，所述结构件包括第一电极层、摩擦层、第二电极层、柔性包覆结构，所述第一电极层形成于摩擦层背离第二电极层的一侧表面，且摩擦层与第二电极层之间具有空气层，且所述柔性包覆结构仅一端设有开口；

将结构件悬空放入一个一端开口的封口模具中，其中，所述柔性包覆结构的开口朝向封口模具的底壁，且使结构件的任意表面与封口模具的内壁以及底壁之间保持一定距离；

通过封口模具的开口向封口模具内浇注可拉伸材料以封堵所述柔性包覆结构的开口，待可拉伸材料固化后将产品自封口模具内取出以得到摩擦发电机。

优选地，在所述采用可拉伸材料形成一结构件之前，还包括：

将碳黑材料和液态硅胶材料混合形成用于制备所述第一电极和第二电极的可拉伸材料。

优选地，当所述发电单元具有长方体结构时，所述采用可拉伸材料形成一结构件，包括：

在具有板状结构的第一模具的第一表面涂一层由碳黑材料与液态硅胶材料混合后得到的粘稠状物质以在固化后得到第二电极层，并在粘稠状物质的一个边缘接上细导线；

在具有板状结构的第二模具的第一表面涂一层液态硅胶；

在固化的硅胶表面涂一层由碳黑材料与液态硅胶材料混合后得到的粘稠状物质以在固化后形成第一电极层，并在粘稠状物质的一个边缘接上细导线；

将具有第二电极层的第一模具和具有第一电极层的第二模具放入第三模具的浇注腔内，第三模具的浇注腔具有一端开口的长方体结构，其中，第一模具的第一表面背离所述第二模具，且第二模具的第一表面朝向第一模具，且第一模具悬空设置以使第一模具以及第二电极层的各个侧面以及底面与浇注腔的内壁以及底壁之间均间隔一定距离，第二模具背离第一模具的表面与浇注腔的侧壁贴合；

向第三模具的浇注腔内浇注液态硅胶并固化；

将第一模具、第二模具以及第三模具拆除以得到所述结构件。

优选地，当所述发电单元具有长方体结构时，所述采用可拉伸材料形成一结构件，包括：

在具有板状结构的第一模具的第一表面涂一层由碳黑材料与液态硅胶材料混合后得到的粘稠状物质以在固化后得到第二电极层，并在粘稠状物质的一个边缘接上细导线；

在具有板状结构的第二模具的第一表面涂一层由碳黑材料与液态硅胶材料混合后得到的粘稠状物质以在固化后形成第一电极层，并在粘稠状物质的一个边缘接上细导线；

在第二模具的第一表面涂覆的粘稠状物质的表面涂一层液态硅胶；

将第二模具的第一表面上形成的粘稠状物质以及液态硅胶固化，并且将固化后的层级结构自第二模具的第一表面上取下并翻转，然后将翻转后的层级结构通过液态硅胶粘到第二模具的第一表面；

将具有第二电极层的第一模具和具有第一电极层的第二模具放入第三模具的浇注腔内，第三模具的浇注腔具有一端开口的长方体结构，其中，第一模具的第一表面背离所述第二模具，且第二模具的第一表面朝向第一模具，且第一模具悬空设置以使第一模具以及第二电极层的各个侧面以及底面与浇注腔的内壁以及底壁之间均间隔一定距离，第二模具背离第一模具的表面与浇注腔的侧壁贴合；

向第三模具的浇注腔内浇注液态硅胶并固化；

拆除所述第一模具、第二模具以及第三模具以得到所述结构件。

优选地，所述第一模具的第一表面以及第二模具的第一表面均设有纳米级的微结构或微米级的微结构，以使所述第二电极层以及摩擦层具备纳米或微米结构。

优选地，当所述发电单元具有长方体结构时，所述采用可拉伸材料形成一结构件，包括：

在具有板状结构的第四模具的第一表面涂一层由碳黑材料与液态硅胶材料混合后得到的粘稠状物质以在固化后得到第二电极层，并在粘稠状物质的一个边缘接上细导线；并且在第四模具的第二表面上涂一层液态硅胶以在固化后形成摩擦层，在液态硅胶上涂一层由碳黑材料与液态硅胶材料混合后得到的粘稠状物质以在固化后形成第一电极层，并在粘稠状物质的一个边缘接上细导线；其中，所述第一表面和第二表面相互平行；

将具有第二电极层、第一电极层以及摩擦层的第四模具悬空放入第五模具的浇注腔内，第五模具的浇注腔具有一端开口的长方体结构，且第一电极层、第二电极层、摩擦层以及第四模具的各个侧面以及底面与浇注腔的内壁以及底壁之间均间隔一定距离；

向第五模具的浇注腔内浇注液态硅胶并固化；

拆除所述第四模具以及第五模具以得到所述结构件。

优选地，所述第四模具的第一表面以及第二表面均设有纳米级的微结构或微米级的微结构，以使所述第二电极层以及摩擦层具备纳米或微米结构。

优选地，当所述发电单元具有圆柱体结构时，所述采用可拉伸材料形成一结构件，包括：

在一个具有空心圆柱形结构的第六模具内填充由碳黑材料与液态硅胶材料混合后得到的粘稠状物质以在固化后得到第二电极层，且在粘稠状物质的一个边缘接上细导线；

在一个具有一端开口的空心圆柱形结构的第七模具的内表面涂一层液态硅胶，且第七模具具有的空心的内径大于第六模具的外径；

待液态硅胶固化后，在固化后的硅胶的表面涂一层由碳黑材料与液态硅胶材料混合后得到的粘稠状物质以在固化后得到第一电极层，并在粘稠状物质的一个边缘接上细导线；

将带有第二电极层的第六模具悬空放入带有第一电极层的第七模具中，第六模具的轴心线与第七模具的空心的轴心线重合，且第六模具以及第二电极层的任何侧面与第七模具以及第一电极层不接触，且第六模具以及第二电极层的底面离第七模具空心的底部一定距离；

通过第七模具的开口向第七模具的空心内浇注液态硅胶并固化；

拆除所述第六模具以及第七模具以得到所述结构件。

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为本发明一种实施例提供的摩擦发电机的结构示意图；

图2为本发明另一种实施例提供的摩擦发电机的结构示意图；

图3a为图1所示结构的摩擦发电机受按压运动能量作用时的工作原理示意图；

图3b为图1所示结构的摩擦发电机受拉伸运动能量作用时的工作原理示意图；

图3c为图1所示结构的摩擦发电机受弯曲运动能量作用时的工作原理示意图；

图3d为图1所示结构的摩擦发电机受扭曲运动能量作用时的工作原理示意图；

图4为本发明一种实施例提供的摩擦发电机的制备方法的流程图；

图5为本发明一种实施例提供的摩擦发电机的制备方法中形成结构件的流程图；

图6为本发明另一种实施例提供的摩擦发电机的制备方法中形成结构件的流程图；

图7为本发明另一种实施例提供的摩擦发电机的制备方法中形成结构件的流程图；

图8为本发明另一种实施例提供的摩擦发电机的制备方法中形成结构件的流程图。

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。

本发明实施例提供了一种摩擦发电机，如图1和图2所示，该摩擦发电机包括发电单元1和柔性包覆层2，其中：

发电单元1包括第一电极层11、摩擦层12、第二电极层13，其中第一电极层11、摩擦层12、第二电极层13由可拉伸材料制备，摩擦层12与第二电极层13之间具有空气层3，且第一电极层11形成于摩擦层12背离第二电极层13的一侧表面；

柔性包覆层2由可拉伸材料制备，且柔性包覆层2包覆于发电单元1外侧以将发电单元1密封。

上述摩擦发电机中，发电单元1中的第一电极层11、第二电极层13、摩擦层13均由可拉伸的材料制备，并且，包覆在发电单元1外侧的柔性包覆层2也由可拉伸材料制备，因此，上述摩擦发电机能够进行任意变形，如按压、拉伸、弯曲、扭曲等，且当摩擦发电机受到按压、拉伸、弯曲、扭曲等运动能量发生相应的变形时，其工作原理如图3a～图3d所示，其中，图3a为图1所示结构的摩擦发电机受按压运动能量作用时的工作原理示意图，图3b为图1所示结构的摩擦发电机受拉伸运动能量作用时的工作原理示意图，图3c为图1所示结构的摩擦发电机受弯曲运动能量作用时的工作原理示意图，图3d为图1所示结构的摩擦发电机受扭曲运动能量作用时的工作原理示意图。第二电极层13与摩擦层12的材料具有摩擦电极序差异，即互相接触分离后表面得失电子能力不同。当摩擦发电机发生变形时，发电单元1利用第二电极层13与摩擦层12之间的摩擦效应以及静电感应效应等把极其微小的机械能转化为电能，上述摩擦发电机的变形方式多种多样，因此上述摩擦发电机的受力方式也是多种多样的，只要能够使摩擦发电机发生变形即可，因此，上述摩擦发电机可以利用多种运动形式的能量，其适用性较好。并且，发电单元1的外侧包覆有由可拉伸材料制备的柔性包覆层2，进而能够将整个发电单元1密封，进而上述摩擦发电机的防水性较好。

因此，上述摩擦发电机的适用性较好，并且，其防水性较好。

具体地，发电单元1中，第一电极层11和第二电极层13的制备材料可以为由碳黑材料和液态的硅胶材料混合后固化得到的可拉伸材料，且，碳黑材料与硅胶材料的质量比为1:5～1:15，如1:5、1:5.5、1：6、1:8、1:9、1:10、1:11、1:12、1:13、1:14、1:15等。

碳黑材料和液态硅胶材料按照上述比例混合后获得的粘稠状物质在固化之后获得可拉伸材料，其既具有良好的导电性，同时具有良好的可拉伸性能，因此，可以满足第一电极层11和第二电极层13具有导电性能以及可拉伸性能的需要。

优选地，上述导电复合材料中，碳黑材料与硅胶材料的质量比为1:12。

本发明实施例对于柔性包覆层2的材料没有特殊的要求，当然，为了能够提高柔性包覆层2与发电单元1之间相关结构之间配合的稳定性，上述柔性包覆层2可以为由硅胶材料制备的柔性包覆层2，且第一电极层11与柔性包覆层2粘结，第二电极层13与柔性包覆层2粘接。

由于第一电极层11和第二电极层13的制备材料为由碳黑材料和液态的硅胶材料混合后固化得到的可拉伸材料，因此，当柔性包覆层2选用硅胶材料时，第一电极层11和第二电极层13与柔性包覆层2之间连接的稳定性较高。

当然，上述摩擦发电机的形状也可以有多种设计方式，如：

如图1所示，摩擦发电机中的发电单元1可以具有长方体结构，且沿发电单元1的厚度方向，第一电极层11、摩擦层12、第二电极层13依次排列。

如图2所示，摩擦发电机中的发电单元1还可以具有圆柱体结构，具体地，第二电极层13为圆柱状结构，且摩擦层12为与第二电极层13同轴设置的圆筒结构，第一电极层11为与第二电极层13同轴的圆筒状结构。

当然，可以在摩擦发电机摩擦层和第二电极层表面制备出纳米或者微米结构，即，摩擦层12朝向第二电极层13的表面上具备纳米或微米结构，且第二电极层13朝向摩擦层12的表面也具备纳米或微米结构，这些表面的纳米或者微米结构有利于提高摩擦发电机的输出电流。

另外，本发明实施例还提供了一种上述实施例中提供的任意一种摩擦发电机的制备方法，如图4所示，该制备方法包括：

步骤S102，采用可拉伸材料形成一结构件，其中，结构件包括第一电极层、摩擦层、第二电极层、柔性包覆结构，第一电极层形成于摩擦层背离第二电极层的一侧表面，且摩擦层与第二电极层之间具有空气层，且柔性包覆结构仅一端设有开口；

步骤S103，将结构件悬空放入一个一端开口的封口模具中，其中，柔性包覆结构的开口朝向封口模具的底壁，且使结构件的任意表面与封口模具的内壁以及底壁之间保持一定距离；

步骤S104，通过封口模具的开口向封口模具内浇注可拉伸材料以封堵柔性包覆结构的开口，待可拉伸材料固化后将产品自封口模具内取出以得到摩擦发电机。

当发电单元1中的第一电极层11和第二电极层13的制备材料为由碳黑材料和液态的硅胶材料混合后固化得到的可拉伸材料时，由于由碳黑材料和液态的硅胶材料混合后固化得到的可拉伸材料在一定时间内会自动固化，因此，用于形成第一电极层11和第二电极层13的材料需要现场制备，因此，如图4所示，在上述步骤S102采用可拉伸材料形成一结构件之前，上述制备方法还包括

步骤S101，将碳黑材料和液态硅胶材料混合形成用于制备第一电极和第二电极的可拉伸材料，其中，碳黑材料和液态硅胶材料的质量比如前面实施例中所述，这里不再赘述。

上述制备方法中，步骤S102的具体操作方法可以根据摩擦发电机形状的不同采用不同的方式进行，如：

如图5所示，当发电单元具有长方体结构时，上述步骤S102中的采用可拉伸材料形成一结构件具体可以包括：

步骤S201，在具有板状结构的第一模具的第一表面涂一层由碳黑材料与液态硅胶材料混合后得到的粘稠状物质以在固化后得到第二电极层，并在粘稠状物质的一个边缘接上细导线；该步骤中在粘稠状物质的一个边缘上连接的细导线用于连接第二电极层与摩擦发电机的外接电路；

步骤S202，在具有板状结构的第二模具的第一表面涂一层液态硅胶；该步骤中的液态硅胶在固化之后形成的是柔性包覆层2中用于与第一电极层11粘接的侧壁；

步骤S203，在固化的硅胶表面涂一层由碳黑材料与液态硅胶材料混合后得到的粘稠状物质以在固化后形成第一电极层，并在粘稠状物质的一个边缘接上细导线；该步骤中在粘稠状物质的一个边缘上连接的细导线用于连接第一电极层与摩擦发电机的外接电路；

步骤S204，将具有第二电极层的第一模具和具有第一电极层的第二模具放入第三模具的浇注腔内，第三模具的浇注腔具有一端开口的长方体结构，其中，第一模具的第一表面背离第二模具，且第二模具的第一表面朝向第一模具，且第一模具悬空设置以使第一模具以及第二电极层的各个侧面以及底面与浇注腔的内壁以及底壁之间均间隔一定距离，第二模具背离第一模具的表面与浇注腔的侧壁贴合；

步骤S205，向第三模具的浇注腔内浇注液态硅胶并固化；当向第三模具的浇注腔内浇注液态硅胶时，第一模具与第二模具之间的间隙被浇满硅胶，固化后形成发电单元1的摩擦层12，同时，第一模具与浇注腔底壁之间的空隙部位的硅胶在固化后形成柔性包覆壳2的一个侧壁；

步骤S206，将第一模具、第二模具以及第三模具拆除后得到的部件中只有与第三模具的浇注腔的开口对应的部位开口，进而得到仅一端开口的结构件。

如图6所示，当发电单元具有长方体结构时，上述步骤S102中的采用可拉伸材料形成一结构件还可以包括：

步骤S301，在具有板状结构的第一模具的第一表面涂一层由碳黑材料与液态硅胶材料混合后得到的粘稠状物质以在固化后得到第二电极层，并在粘稠状物质的一个边缘接上细导线；该步骤中在粘稠状物质的一个边缘上连接的细导线用于连接第二电极层与摩擦发电机的外接电路；

步骤S302，在具有板状结构的第二模具的第一表面涂一层由碳黑材料与液态硅胶材料混合后得到的粘稠状物质以在固化后形成第一电极层，并在粘稠状物质的一个边缘接上细导线；该步骤中在粘稠状物质的一个边缘上连接的细导线用于连接第一电极层与摩擦发电机的外接电路；

步骤S303，在第二模具的第一表面涂覆的粘稠状物质的表面涂一层液态硅胶；此步骤中涂的一层液态硅胶在固化之后形成的是柔性包覆层2中用于与第一电极层11粘接的侧壁；

步骤S304，将第二模具的第一表面上形成的粘稠状物质以及液态硅胶固化，并且将固化后的层级结构自第二模具的第一表面上取下并翻转，然后将翻转后的层级结构通过液态硅胶粘到第二模具的第一表面；

步骤S305，将具有第二电极层的第一模具和具有第一电极层的第二模具放入第三模具的浇注腔内，第三模具的浇注腔具有一端开口的长方体结构，其中，第一模具的第一表面背离第二模具，且第二模具的第一表面朝向第一模具，且第一模具悬空设置以使第一模具以及第二电极层的各个侧面以及底面与浇注腔的内壁以及底壁之间均间隔一定距离，第二模具背离第一模具的表面与浇注腔的侧壁贴合；

步骤S306，向第三模具的浇注腔内浇注液态硅胶并固化；

步骤S307，拆除第一模具、第二模具以及第三模具以得到结构件。

优选地，上述第一模具的第一表面以及第二模具的第一表面均设有纳米级的微结构或微米级的微结构，以使第二电极层以及摩擦层具备纳米或微米结构。

当然，如图7所示，当发电单元1具有长方体结构时，上述步骤S102中的采用可拉伸材料形成一结构件还可以包括：

步骤S401，在具有板状结构的第四模具的第一表面涂一层由碳黑材料与液态硅胶材料混合后得到的粘稠状物质以在固化后得到第二电极层，并在粘稠状物质的一个边缘接上细导线；并且在第四模具的第二表面上涂一层液态硅胶以在固化后形成摩擦层，在液态硅胶上涂一层由碳黑材料与液态硅胶材料混合后得到的粘稠状物质以在固化后形成第一电极层，并在粘稠状物质的一个边缘接上细导线；其中，第一表面和第二表面相互平行；

步骤S402，将具有第二电极层、第一电极层以及摩擦层的第四模具悬空放入第五模具的浇注腔内，第五模具的浇注腔具有一端开口的长方体结构，且第一电极层、第二电极层、摩擦层以及第四模具的各个侧面以及底面与浇注腔的内壁以及底壁之间均间隔一定距离；

步骤S403，向第五模具的浇注腔内浇注液态硅胶并固化；

步骤S404，拆除第四模具以及第五模具以得到结构件。

采用上述步骤进行步骤S102时采用的模具较少。

当然，上述制备方法中采用的第四模具的第一表面以及第二表面均设有纳米级的微结构或微米级的微结构，以使第二电极层以及摩擦层具备纳米或微米结构。

如图8所示，当摩擦发电机中的发电单元1具有圆柱体结构时，上述步骤S102中的采用可拉伸材料形成一结构件可以包括：

步骤S501，在一个具有空心圆柱形结构的第六模具内填充由碳黑材料与液态硅胶材料混合后得到的粘稠状物质以在固化后得到第二电极层，且在粘稠状物质的一个边缘接上细导线；该步骤中在粘稠状物质的一个边缘上连接的细导线用于连接第二电极层与摩擦发电机的外接电路；

步骤S502，在一个具有一端开口的空心圆柱形结构的第七模具的内表面涂一层液态硅胶，且第七模具具有的空心的内径大于第六模具的外径；该步骤中图的液态硅胶在固化后用于形成柔性包覆层2的筒壁；

步骤S503，待液态硅胶固化后，在固化后的硅胶的表面涂一层由碳黑材料与液态硅胶材料混合后得到的粘稠状物质以在固化后得到第一电极层，并在粘稠状物质的一个边缘接上细导线；该步骤中在粘稠状物质的一个边缘上连接的细导线用于连接第一电极层与摩擦发电机的外接电路；

步骤S504，将带有第二电极层的第六模具悬空放入带有第一电极层的第七模具中，第六模具的轴心线与第七模具的空心的轴心线重合，且第六模具以及第二电极层的任何侧面与第七模具以及第一电极层不接触，且第六模具以及第二电极层的底面离第七模具空心的底部一定距离；

步骤S505，通过第七模具的开口向第七模具的空心内浇注液态硅胶并固化；该步骤中的液态硅胶在固化后形成摩擦层和与步骤S502中的硅胶相连的底壁等结构；

步骤S506，拆除第六模具以及第七模具以得到结构件。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。