一种柔性可拉伸的摩擦发电机及其制备方法与流程

本发明属于摩擦电纳米发电技术领域，特别涉及一种新型的柔性可拉伸的摩擦发电机及其制备方法。

背景技术：

从生活环境中采集能量，被广泛视为实现绿色能源和能源可持续发展的有效方法，将有望在无线传输系统、植入式医疗器件、乃至消费类电子产品中发挥重要作用。随着物联网的发展，人体贴合器件的研究愈发受到重视，如何实现人体大形变情况下的能量收集及利用给研究带来了新的思考。基于摩擦起电与静电感应原理，采用柔性电极，通过简单的低成本的方法制备的微型摩擦发电机可完成对周围环境机械能的高效率采集，也可以实现人体移动实时感应。

摩擦发电机是利用两种具有不同摩擦电特性的材料之间的相互接触和分离来进行发电的。现有的摩擦发电机在拉伸情况下的电压输出能力及性能稳定性较差，限制了摩擦发电机在柔性领域的实际应用价值。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种柔性可拉伸的摩擦发电机及其制备方法。本发明中可拉伸电极有效解决了摩擦发电机更高程度柔性化的问题；通过在聚合物中添加陶瓷介电粉体，提高了摩擦介电层材料的介电常数，实现了高的表面电荷密度，进而提高了能量转换效率；通过合理设计外电路，可有效采集人体在复杂运动环境下的机械能，将其转换为电能并且储存或对外供电；该摩擦发电机具有高的输出电压和良好的可拉伸性能，并且在多次拉伸后性能稳定。

本发明的技术方案如下：

一种柔性可拉伸的摩擦发电机，包括柔性电极A和柔性电极B，所述柔性电极A和柔性电极B为柔性可拉伸绝缘材料与纳米导电颗粒形成的复合结构，所述柔性电极A和柔性电极B接触或不接触设置，当有外力作用在所述柔性电极A和/或柔性电极B上时，其中带纳米导电颗粒的至少部分表面在外力的作用下能够发生接触和分离，使柔性电极A和柔性电极B之间产生电信号。

进一步地，所述柔性电极A与柔性电极B可相同也可不同。

进一步地，所述摩擦发电机还包括摩擦层或摩擦介电层，所述摩擦层或摩擦介电层形成于柔性电极A或柔性电极B表面，所述摩擦层为可拉伸聚合物，摩擦介电层为可拉伸聚合物与介电粉体混合得到。

进一步地，所述柔性可拉伸绝缘材料为聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)或聚酰亚胺(polymide，PI)等。

进一步地，所述可拉伸聚合物为Ecoflex等。

进一步地，所述纳米导电颗粒为多壁碳纳米管(MWCNT)、单壁碳纳米管(SWCNT)、石墨烯(GP)、纳米银颗粒(AgNPs)、纳米金颗粒(AuNPs)或上述两种以上的混合物等。

进一步地，所述介电粉体为锆钛酸铅(PZT)、氧化锌(ZnO)或钛酸锶钡(BST)等。

进一步地，所述柔性电极A或柔性电极B的厚度为0.5mm～2.5mm，面积可根据具体应用需求调整。

进一步地，所述摩擦层或摩擦介电层的厚度为200μm～800μm，其面积与柔性电极A和柔性电极B的面积相等。

进一步地，所述摩擦介电层中介电粉体与可拉伸聚合物的含量为：介电粉体10～30wt％，可拉伸聚合物70～90wt％。

进一步地，所述柔性电极A和柔性电极B通过以下步骤制备得到；

步骤1：纳米导电颗粒分散液的制备：将纳米导电颗粒加入去离子水中，并加入分散剂优化分散过程，超声均匀后进行离心处理，得到浓度为0.5～4g/L的纳米导电颗粒分散液；

步骤2：将清洗干净的聚合物培养皿放置于60～80℃热源上，预热后，采用喷涂设备在培养皿内喷涂步骤1制备得到的纳米导电颗粒分散液，喷涂时间1s，间隔10s，喷涂次数30～50次；

步骤3：待水分完全蒸发后，将可拉伸绝缘材料预聚物倒入培养皿内进行常温固化，固化完成后，将带纳米导电颗粒的可拉伸绝缘材料从培养皿内剥离，并切割，形成柔性电极A和柔性电极B。

进一步地，所述摩擦介电层通过以下步骤制备得到：将介电粉体和可拉伸聚合物组分A机械混合，搅拌混合均匀，然后加入可拉伸聚合物组分B，混合均匀，得到摩擦介电层预聚物；采用旋涂法在柔性电极A或柔性电极B带纳米导电颗粒的一面旋涂上述摩擦介电层预聚物，即可得到摩擦介电层。

进一步地，所述柔性电极A和柔性电极B分别与外部导线连接，当有外力作用在柔性电极A和/或柔性电极B上时，柔性电极带纳米导电颗粒一面的至少部分表面、或者柔性电极带纳米导电颗粒一面与摩擦介电层的至少部分表面在外力的作用下能够发生接触和分离，使得柔性电极A和柔性电极B之间产生电信号，通过导线输出电信号。

本发明还提供了上述柔性可拉伸的摩擦发电机的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：纳米导电颗粒分散液的制备：将纳米导电颗粒加入去离子水中，并加入分散剂优化分散过程，超声均匀后进行离心处理，得到浓度为0.5～4g/L的纳米导电颗粒分散液；

步骤2：将清洗干净的聚合物培养皿放置于60～80℃热源上，预热后，采用喷涂设备在培养皿内喷涂步骤1制备得到的纳米导电颗粒分散液，喷涂时间1s，间隔10s，喷涂次数30～50次；

步骤3：待水分完全蒸发后，将可拉伸绝缘材料预聚物倒入培养皿内进行常温固化，固化完成后，将带纳米导电颗粒的可拉伸绝缘材料从培养皿内剥离，并分割为两个同等大小的柔性电极，即为柔性电极A和柔性电极B；

步骤4：将介电粉体和可拉伸聚合物组分A机械混合，搅拌混合均匀，然后加入可拉伸聚合物组分B，混合均匀，即得到摩擦介电层预聚物；

步骤5：采用旋涂法在柔性电极B带纳米导电颗粒的一面旋涂步骤4得到的摩擦介电层预聚物，得到带摩擦介电层的柔性电极B；

步骤6：将柔性电极A与带摩擦介电层的柔性电极B组装形成摩擦发电机，其中，柔性电极A带纳米导电颗粒的一面面对摩擦介电层。

进一步地，步骤3的过程还可以为：分别在两个喷涂有纳米导电颗粒的培养皿内固化不同的可拉伸绝缘材料预聚物，得到可拉伸绝缘材料不同的两个电极，即为柔性电极A和柔性电极B。

进一步地，所述柔性电极A或柔性电极B的厚度为0.5mm～2.5mm，面积可根据具体应用需求调整。

进一步地，所述摩擦介电层的厚度为200μm～800μm，其面积与柔性电极A和柔性电极B的面积相等。

本发明还提供了上述柔性可拉伸的摩擦发电机在鞋底上的应用，将柔性电极A和带摩擦介电层的柔性电极B设置在鞋底中，所述柔性电极A的导电部分面对摩擦介电层，柔性电极A的导电部分与摩擦介电层接触或不接触，通过走路时对鞋底的挤压实现柔性电极A的导电部分与摩擦介电层发生接触和分离，使得柔性电极A和柔性电极B之间产生电信号并通过外电路输出。

本发明还提供了上述柔性可拉伸的摩擦发电机在发热衣服上的应用，将柔性电极A和带摩擦介电层的柔性电极B缝制于衣服内，所述发热衣服按照从外向内依次为外层布料、带摩擦介电层的柔性电极B、柔性电极A和内层布料的顺序缝制在一起，所述柔性电极A的导电部分面对摩擦介电层，柔性电极A的导电部分与摩擦介电层接触或不接触，通过人体日常活动实现柔性电极A的导电部分与摩擦介电层发生接触和分离，使得柔性电极A和柔性电极B之间产生电信号并通过外电路输出。

本发明还提供了一种上述柔性可拉伸的摩擦发电机的应用，将柔性电极A制作为圆环状，带摩擦介电层的柔性电极B制作为圆环状，所述柔性电极A套在手臂、手腕、脚腕、腿等部位，带摩擦介电层的柔性电极B缝制于衣服内，所述柔性电极A的导电部分面对摩擦介电层，柔性电极A的导电部分与摩擦介电层接触或不接触，通过摆臂或走动过程实现柔性电极A的导电部分与摩擦介电层发生接触和分离，使得柔性电极A和柔性电极B之间产生电信号并通过外电路输出。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的柔性可拉伸的摩擦发电机中采用可拉伸绝缘材料和纳米导电颗粒形成柔性电极，使得纳米导电颗粒能在拉伸情况下保持良好的电信号输出能力，且在多次拉伸后具有稳定的电压输出，进而使得该摩擦发电机具有良好的可拉伸性能，为适配人体的可穿戴设备以及大形变应用提供了更多的选择。

2、本发明利用两种柔性材料对电荷束缚能力的差异形成摩擦型发电机，并通过在摩擦介电层中混合陶瓷粉体进一步提高了束缚能力，有效提高了发电机的性能；本发明摩擦发电机与现有柔性微型能量采集器相比，在接触分离过程中，不同材料接触面和摩擦介电层的高介电性能能增加接触面上束缚电荷数量，使其具有表面电荷密度高、能量转换效率高、输出能力强等优点；本发明摩擦发电机的制备方法简单，成本低，可实现大规模批量化生产。

附图说明

图1为本发明实施例1的柔性可拉伸摩擦发电机的结构示意图；

图2为本发明实施例2的柔性可拉伸摩擦发电机的结构示意图；

图3为本发明实施例2的柔性可拉伸摩擦发电机在未拉伸时的输出电压；(尺寸：8mm*20mm)

图4为本发明实施例2的柔性可拉伸摩擦发电机经100次拉伸之后的输出电压；(尺寸：8mm*20mm)

图5为本发明实施例2的柔性可拉伸摩擦发电机经400次拉伸之后的输出电压；(尺寸：8mm*20mm)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

如图1所示，为本发明提供的一种柔性可拉伸的摩擦发电机，包括柔性电极A和柔性电极B，所述柔性电极A和柔性电极B为柔性可拉伸绝缘材料与纳米导电颗粒形成的复合结构，所述柔性电极A和柔性电极B接触或不接触设置，当有外力作用在所述柔性电极A和/或柔性电极B上时，其中带纳米导电颗粒的至少部分表面在外力的作用下能够发生接触和分离，使得柔性电极A和柔性电极B之间产生电信号。

其中，所述柔性电极A与柔性电极B可相同也可不同。当柔性电极A与柔性电极B相同时，由于电极表面污染的影响，两摩擦电性相同的材料在接触过程中，表面会分别带上不等量的同性电荷，形成电势差。当柔性电极A与柔性电极B不同时，两摩擦电性不同的材料在接触过程中，表面会分别带上极性相反的电荷，从而形成电势差。

进一步地，所述摩擦发电机还包括摩擦层，所述摩擦层形成于柔性电极A或柔性电极B表面，由于柔性电极与摩擦层的摩擦电性不同，在接触过程中表面会分别带上极性相反的电荷，形成电势差。

进一步地，所述摩擦发电机还包括摩擦介电层，所述摩擦介电层形成于柔性电极A或柔性电极B表面，由于柔性电极与摩擦介电层不同的摩擦电性和摩擦介电层的高介电性能，在接触过程中会使表面分别带上更多的异种电荷，形成电势差。

进一步地，上述材料的摩擦电性是指材料在与其他材料发生摩擦或接触的过程中显示出来的得电子能力，即两种材料接触时一个带正电，一个带负电。

实施例1

如图1所示，为本发明提供的一种柔性可拉伸的摩擦发电机，包括柔性电极A和柔性电极B，具体制备过程为：

步骤1：将0.25g高纯多壁碳纳米管加入100mL去离子水中，并加入碳纳米管分散剂优化分散过程，超声1h后进行离心处理，得到浓度约为2g/L的碳纳米管分散液；

步骤2：将清洗干净的聚合物培养皿放置于75℃热源上，预热两分钟后，采用喷涂设备在培养皿内喷涂步骤1制备得到的碳纳米管分散液，喷涂时间为1s，间隔10s，喷涂40次后在培养皿内形成碳纳米管聚集层；

步骤3：将聚二甲基硅氧烷主剂和硬化剂按体积比10:1的比例混合，搅拌60s、抽真空5min后，倒入步骤2带碳纳米管聚集层的培养皿内，在常温下固化24h后，将带碳纳米管的聚二甲基硅氧烷从培养皿内剥离，并切割为两个同等大小的8mm×20mm的柔性电极，即为柔性电极A和柔性电极B；

步骤4：将柔性电极A与柔性电极B组装形成摩擦发电机，用于鞋底或者发热衣服中，其中，柔性电极A带纳米导电颗粒的一面面对柔性电极B带纳米导电颗粒的一面。

实施例2

如图2所示，为本发明提供的一种柔性可拉伸的摩擦发电机，包括柔性电极A、柔性电极B和形成于柔性电极B之上的摩擦介电层，具体制备过程为：

步骤1：将0.15g高纯多壁碳纳米管(MWCNT)加入60mL去离子水中，并加入碳纳米管分散剂优化分散过程，超声1h后进行离心处理，得到浓度约为1.8g/L的碳纳米管分散液；

步骤2：将清洗干净的聚合物培养皿放置于60℃热源上，预热两分钟后，采用喷涂设备在培养皿内喷涂步骤1制备得到的碳纳米管分散液，喷涂时间为1s，间隔10s，喷涂40次后在培养皿内形成碳纳米管聚集层；

步骤3：将聚二甲基硅氧烷主剂和硬化剂按体积比10:1的比例混合，搅拌60s、抽真空5min后，倒入步骤2带碳纳米管聚集层的培养皿内，在常温下固化24h后，将带碳纳米管的聚二甲基硅氧烷从培养皿内剥离，并切割为两个同等大小的8mm×20mm的柔性电极，即为柔性电极A和柔性电极B；

步骤4：将锆钛酸铅(PZT)陶瓷粉体与Ecoflex组分A机械混合，搅拌混合均匀，然后加入Ecoflex组分B，混合均匀，即得到摩擦介电层预聚物，其中锆钛酸铅的质量分数为15wt％；

步骤5：采用旋涂法在柔性电极B带纳米导电颗粒的一面旋涂步骤4得到的摩擦介电层预聚物，转速为500rpm，时间为30s，烘干，得到带摩擦介电层的柔性电极B；

步骤6：将柔性电极A与带摩擦介电层的柔性电极B组装形成摩擦发电机，用于鞋底或者发热衣服中，其中，柔性电极A带纳米导电颗粒的一面面对摩擦介电层。

图3、图4、图5分别为实施例2的8mm*20mm柔性可拉伸摩擦发电机在未拉伸时、拉伸100次后以及拉伸400次后的输出电压，由图3、图4、图5可知，实施例2的柔性可拉伸摩擦发电机在经过100次和400次拉伸后，其输出电压的峰值均没有明显降低，表明本发明提供的可拉伸摩擦发电机具有稳定的输出能力和良好的拉伸疲劳性。