一种全方位多模式收集机械能的柔性可穿戴摩擦纳米发电机的制作方法

本发明属于柔性器件技术领域，涉及一种全方位多模式收集机械能的柔性 可穿戴摩擦纳米发电机。

背景技术：

纳米摩擦发电机是一种基于纳米级摩擦电效应、能够将外界环境的机械能 转换成电能的能量收集器件(或将机械运动转化为电信号的自供能传感器件)。 美国佐治亚理工学院的王中林教授在2006年首次提出、并于2012年成功研发 出世界上首台摩擦纳米发电机。然而，摩擦纳米发电机的技术目前仍处于开发 研究阶段，无论是从材料选择还是其受环境影响(尤其是湿度)来看，其技术 都不够成熟。如何提高其输出能量和效率、扩大其应用范围是当前面临的主要 问题。

由于便携电子产品需求量的激增，为数量庞大的微型电子设备供电或成为 一个难题。考虑到随身电子设备数量巨大、在空间中随机分布等特点，从环境 中收集能量来驱动个人便携式电子设备就成为一种可行的办法。通过捕获环境 中广泛分布的机械能并将其转化为电能，这种技术可以获得持续的、绿色的的 纳米能源，以实现自供能微纳系统。柔性摩擦纳米发电机利用材料的弹性和可 拉伸性将人体日常运动的机械能转化为电能并输出，大大地提高了摩擦纳米发 电机的应用范围，但已公开的柔性纳米发电机对摩擦运动的方向和周期性要求 较为严格，发电机的电能输出大多仅限于某个特定方向的摩擦运动，其他方向 的摩擦产生的静电能无法得到有效利用。同时，现已有的摩擦纳米发电机的能 量来源常常局限于某种单一运动获得的机械能，例如基于接触-分离模式的摩擦 纳米发电机无法收集周期性摩擦带来的电能输出，因此发明一种可以根据运动 类型的不同而切换工作模式的摩擦纳米发电机将有利于扩大其应用范围、提高 对机械能的收集转化效率。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种可以收集各个方向的摩擦运动产生的静电能的柔 性摩擦纳米发电机，解决已有摩擦纳米发电机只能工作于某个特定方向运动的 缺陷；同时通过电路切换可使该发电机工作于滑动和接触-分离运动的两种不同 运动模式下，拓宽了发电机的运动维度和能量来源，从而更加有效地为可穿戴 设备供电。

本发明的技术方案：

一种全方位多模式收集机械能的柔性可穿戴摩擦纳米发电机，包括第一摩 擦部件1和第二摩擦部件2；所述的第一摩擦部件1位于第二摩擦部件2的上方， 第一摩擦部件1的第一摩擦层11与第二摩擦部件2的第二摩擦层21相接触；

所述的第一摩擦部件1，包括第一摩擦层11、第一导电元件12和上绝缘隔 离层13；从上到下依次为上绝缘隔离层13、第一导电元件12和第一摩擦层11；

所述的第二摩擦部件2，包括第二摩擦层21、第二导电元件22和下绝缘隔 离层23；从上到下依次为第二摩擦层21、第二导电元件22和下绝缘隔离层23； 所述的第二导电元件组22包括次级第二导电元件a221和次级第二导电元件 b222；

所述的发电机在外力作用下有两种工作模式，分别为接触分离模式和独立 摩擦模式；所述的接触分离模式，发电机在法向外力作用下第一摩擦层11和第 二摩擦层21发生周期性的接触-分离循环，同时第一摩擦层11和第二摩擦层21 的法向相对距离发生变化，并通过第一导电元件12和第二导电元件22向外电 路输出电信号，此时次级第二导电元件a221和次级第二导电元件b222串联作 为整体；所述的独立摩擦模式，发电机在切向外力作用下第一摩擦层11与第二 摩擦层21发生相对滑动，同时第一摩擦层11与第二导电单元22的切向相对位 置发生变化，并通过第二导电元件22的次级第二导电元件a221和次级第二导 电元件b222向外电路输出电信号。

所述的上绝缘隔离层13和下绝缘隔离层23为柔性可弯曲的绝缘薄层，由 高分子聚合物材料制成，包括聚二甲基硅氧烷PDMS、聚甲基丙烯酸甲酯 PMMA、聚醋酸乙烯酯PVA或聚氯乙烯PVC。

所述的第一导电元件12为网格状结构，且第一导电元件12为一个电极整 体。

所述的第二导电元件22为交错式网格状结构，分为次级第二导电元件a221 和次级第二导电元件b222两部分，二者为相互对称、交错分离结构，次级第二 导电元件a221和次级第二导电元件b222分别引出导线与负载相连。

所述的第一导电元件12和第二导电元件22是利用磁控溅射方法在覆有掩 膜板的柔性衬底上镀成或通过将刻蚀好的导电薄膜直接贴附在柔性衬底上制 成，所述的掩膜板由预先设计的网格形状经过激光切割加工制成。

所述的第一导电元件12和第二导电元件22为弹性拉伸可变的柔性导电材 料，包括导电胶、石墨烯、金属或合金；其中，金属为金、银、铂、钯、铝、 镍、铜、钛、铬、硒、铁、锰、钼、钨或钒；合金为铝合金、钛合金、镁合金、 铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合 金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。

所述的第一摩擦层11为具有编织型结构的柔性绝缘材料，将两种宽度相同 的条状柔性绝缘材料用编织方法制成，且两种柔性材料编织成的第一摩擦层11 仍具有柔性；两种柔性材料的宽度由第二导电元件22的单个格状电极的大小决 定，或等于第二导电元件22中单个格状电极的边长；所述第二摩擦层21为柔 性绝缘材料。

所述的第一摩擦层11中条状绝缘编织材料的宽度为0.1cm-10cm，第二导电 元件22中单个格状电极的边长范围为0.1cm-10cm。

所述的第一摩擦层11中的两种编织物材料具有摩擦电极序差异，其中一种 选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、聚酰胺薄膜聚乙二醇丁 二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、 聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造 纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二 甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物 薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种； 另一种选自聚四氟乙烯PTFE、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚乙烯醇PVA或 聚乙烯吡咯烷酮PVP中的任意一种。

所述的第二摩擦层21的材料选自聚四氟乙烯PTFE、聚对苯二甲酸乙二醇 酯PET、聚乙烯醇PVA、聚乙烯吡咯烷酮PVP、聚二甲基硅氧烷PDMS、聚甲 基丙烯酸甲酯PMMA或聚氯乙烯PVC中的任意一种。

所述的上绝缘隔离层13和下绝缘隔离层23的厚度为0.01-10mm；所述的第 一导电元件12和第二导电元件22的厚度为10-100μm；所述的第一摩擦层11 和第二摩擦层21的厚度为0.01-10mm。

本发明的有益效果是：

本发明的摩擦纳米发电机的上绝缘隔离层、下绝缘隔离层、第一摩擦层和 第二摩擦层全部由可拉伸的柔性材料例如聚合物材料制作，由于可拉伸聚合物 的柔性和可拉伸性，可以利用该柔性摩擦纳米发电机收集多种机械运动中产生 的能量。

本发明的摩擦纳米发电机，采用两种具有不同摩擦电极序的等宽条状可拉 伸聚合材料制成柔性编织型摩擦层，不仅使得摩擦单元在各个方向具有一定距 离的运动都可以满足周期性条件，并且将摩擦纳米发电机的应用扩展至可编织 衣物，大大扩展了摩擦纳米发电机的应用领域。

本发明的摩擦纳米发电机，为适应编织型的摩擦层并优化该摩擦层结构的 电输出性能，独创性地设计出一种交错式网格状电极结构作为第二导电元件， 使得当所述发电机工作于独立摩擦模式时可以收集各个运动方向的切向运动产 生的能量。

本发明的摩擦纳米发电机具有在多种运动模式下工作的优势，当外力作用 于摩擦层的法向时，所述发电机工作于接触-分离模式进行电的输出，可以有效 收集分离运动的机械能和第一摩擦层运动出第二摩擦层所在范围的大幅度机械 能；当外力作用于摩擦层的切向时，所述发电机工作于独立摩擦模式向便携式 负载供电，可以有效地收集第一摩擦层在第二摩擦层范围内运动的小幅度机械 能，从而更有效地从多维度、多运动模式中收集利用机械能。

附图说明

图1为本发明的全方位多模式收集机械能的柔性可穿戴摩擦纳米发电机的 结构示意图。

图2为本发明的全方位多模式收集机械能的柔性可穿戴摩擦纳米发电机工 作于独立摩擦模式的发电过程原理示意图。

图3为本发明的全方位多模式收集机械能的柔性可穿戴摩擦纳米发电机工 作于接触-分离模式的发电过程原理示意图。

图4为编织型第二摩擦层三维结构示意图。

图5为网格状第一导电元件制作过程示意图。

图6为交错式网格状第二导电元件结构俯视示意图。

图7为交错式网格状第二导电元件制作过程示意图。

图8为本发明的全方位多模式收集机械能的柔性可穿戴摩擦纳米发电机应 用于储能的原理示意图。

图中：1第一摩擦部件；2第二摩擦部件；11第一摩擦层； 12第一导电元件；13上绝缘隔离层；21第二摩擦层；22第二导电元件； 23下绝缘隔离层；221次级第二导电元件a；222次级第二导电元件b。

具体实施方式

以下结合附图和技术方案，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词，例如“上”、“下”、 “左”、“右”等，仅是参考附图的方向；“内”指朝向结构内部，“外”指朝向 结构外部；“法向外力”指外力或外力的分力垂直于摩擦表面，“切向外力”指 外力或外力的分力平行于摩擦表面。

本发明所说的“摩擦电极序”，是指根据材料对电荷的吸引能力将其进行的 排序，两种材料摩擦或接触时，负电荷经过摩擦面从摩擦电极序中极性较正的 材料表面转移至摩擦电极序中极性较负的材料表面，从而使前者带正电，后者 带负电，并形成一定的电势差，将机械能转化为电势能。例如第一摩擦层中的 其中一种材料选择聚酰胺(Nylon)，第二摩擦层材料选择聚四氟乙烯(Teflon)， 根据摩擦电极序，聚四氟乙烯相比聚酰胺具有较负的极性，因此聚四氟乙烯得 电子能力更强，两个摩擦层接触后聚四氟乙烯薄层带负电，聚酰胺薄层带正电。 由于聚四氟乙烯和聚酰胺都是绝缘体，二者表面的摩擦电荷可以保持较长时间 且电荷密度基本保持不变，因此当摩擦充分后相对电势差将一直存在，保证了 发电机的可持续工作性。

本发明提供的全方位多模式收集机械能的柔性可穿戴摩擦纳米发电机地典 型结构参见图1，包括第一摩擦部件1和第二摩擦部件2，其中，第一摩擦部件 1包括上绝缘隔离层13，与上绝缘隔离层内表面直接贴合的第一导电元件12和 与第一导电元件内表面直接贴合的第一摩擦层11；第二摩擦部件2包括第二摩 擦层21，与第二摩擦层外表面直接接触的第二导电元件22和与第二导电元件外 表面直接贴合的下绝缘隔离层23。独特的电极组成使得发电机在不同的外力方 向下都具有电能输出且可工作于不同的运动模式下。

当发电机工作于独立摩擦模式时，参见图2，所该模式下发电机在切向外力 作用下第一摩擦层11的内表面与第二摩擦层21的内表面发生相对滑动，第一 摩擦层11与第二导电单元22的切向相对位置发生变化，并通过第二导电元件 的两个次级第二导电元件221和222分别向外电路输出电信号。

当发电机工作于接触分离模式时，参见图3，该模式下发电机在法向外力作 用下第一摩擦层11的内表面与第二摩擦层21的内表面面发生周期性的接触-分 离循环，两个摩擦面上具有不同摩擦电极性的摩擦单元的法向相对距离发生变 化，并通过第一导电元件12与第二导电元件22向外电路输出交流电信号，此 时需要将两个次级第二导电元件221和222串联作为整体第二导电元件22。

本发明的全方位多模式收集机械能的柔性可穿戴摩擦纳米发电机采用三电 极结构，通过不同的接线方式实现同一器件不同工作模式的切换。当工作于独 立摩擦模式时，取用次级第二导电元件a 221和次级第二导电元件b222并分别 引出导线，可以输出独立摩擦运动的机械能转化的电能；当工作于接触分离模 式时，将次级第二导电元件a 221和次级第二导电元件b222串联为一个电极整 体并引出导线，和第一导电元件12一同构成电极输出接口，可以收集接触分离 运动的机械能转化的电能。

两种模式的适用范围相互补充，独立摩擦模式适用于小范围小幅度的运动， 接触分离模式适用于大范围大幅度的运动。例如，将制成的柔性可穿戴摩擦纳 米发电机放置于衣物上下侧的不同位置，通过输出功率的大小检测其运动幅度， 在运动幅度较小时通过把导线接至次级第二导电元件a 221和次级第二导电元 件b222将其切换至独立摩擦模式，在运动幅度较大时通过将次级第二导电元件 a 221和次级第二导电元件b222串联并分别将其与电极12用导线接出切换至接 触分离模式。经过实验测量，该器件在收集大幅度摩擦运动的机械能时开路电 压可达100伏，短路电流达0.6uA；在收集分离运动的机械能时开路电压可达 150伏，短路电流达1uA。

本发明中上绝缘隔离层13和下绝缘隔离层23为柔性可弯曲的绝缘薄层， 用于保护内部的导电元件和摩擦层，所用材料优选自高分子聚合物材料，如聚 二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚醋酸乙烯酯(PVA) 或聚氯乙烯(PVC)中的任意一种。

本发明中第一摩擦层11采用编织型结构，参见图4，将两种具有不同摩擦 电极序的等宽条状可拉伸聚合材料制成柔性编织型摩擦层，使得摩擦单元在各 个方向具有一定距离的运动都可以满足周期性条件，从而可以更有效的收集个 方向的机械能。第一摩擦层11中条状绝缘编织材料的宽度由设计的交错式格状 第二导电元件22的单个格状电极的大小决定，或第一摩擦层11中条状绝缘编 织材料的宽度等于第二导电元件22中单个格状电极的边长。第一摩擦层11中 条状绝缘编织材料的宽度范围，优选为0.1cm-10cm，或第二导电元件22中单个 格状电极的边长范围优选为0.1cm-10cm。

第一摩擦层11中的两种编织物材料要求具有摩擦电极序差异，其中一种可 选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、聚酰胺薄膜聚乙二醇丁 二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、 聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造 纤维薄膜、聚甲基丙烯酸甲酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚异丁烯薄膜、聚对苯二 甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物 薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯共聚物薄膜中的任意一种； 另一种可选自聚四氟乙烯(PTFE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯醇 (PVA)或聚乙烯吡咯烷酮(PVP)中的任意一种。

第一摩擦层11中条状绝缘编织材料的宽度范围为0.01cm-30cm，优选范围 为0.1cm-10cm；或第二导电元件22中单个格状电极的边长范围为0.01cm-30cm， 优选范围为0.1cm-10cm。

第二摩擦层21作为一个整体结构介于第一摩擦层11和第二导电元件22之 间，材料优选弹性聚合物，如聚四氟乙烯(PTFE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、 聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚甲 基丙烯酸甲酯(PMMA)或聚氯乙烯(PVC)中的任意一种，或选择第一摩擦 层两种材料中摩擦电极性较负性的一种，例如，第一摩擦层11的两种编织材料 选择聚四氟乙烯和聚酰胺，则第二摩擦层21的材料选择聚酰胺。

上绝缘隔离层13、下绝缘隔离层23、第一摩擦层11和第二摩擦层21的厚 度范围为0.01-30mm，优选范围为0.01-10mm。

本发明中第一导电元件12采用网格状结构，具体制作方法参见图5，采用 此种网格状结构可以避免整块电极内部出现较大电势差促使电子重新排布产生 的电场削弱摩擦层产生的工作电场，而网格状电极通过模拟和实验发现其内部 的电势差明显减小，从而产生的电场对摩擦层的工作电场不会有较大影响，优 化了该发电机的电能输出性能。

本发明中第二导电元件22采用交错式网格状结构，结构示意图参见图6， 交错式网格状第二导电元件22由两部分相互对称的网格状次级第二导电元件a 221和次级第二导电元件b222交错排列制成；具体制作方法为，首先利用 AutoCAD软件进行掩膜板形貌的绘制，将设计完成的CAD文件导入激光切割 机，使用激光切割机将3mm厚的有机玻璃(PMMA)板切割成指定形状，除去 掩膜板内多余结构，从而形成具有电极形貌的掩膜板；接着将制备好的掩膜板 覆盖于采用的柔性摩擦层材料表面，利用磁控溅射方法在柔性衬底表面生成一 层约50μm厚的网格状金属薄膜如Au膜；最后移除掩膜板，即可得到具有交错 式网格状点击结构的第二导电元件。交错排列放置的第二导电元件22的格状电 极单元与编织型第一摩擦层11的摩擦单元相互对应，且第二导电元件22中单 个格状电极的边长等于第一摩擦层11的摩擦单元的边长，从而满足独立摩擦模 式下的周期性条件，且使得任意方向的滑动摩擦都可能造成电能输出，大大提 高了对全方位机械能的收集。

第一导电元件12和第二导电元件22的厚度范围为10-1000μm，优选为 10-100μm。

由于第一摩擦层编织型结构的可扩展性和第二导电单元的格状电极与摩擦 单元的对应性，第一摩擦层11的摩擦单元、第一导电单元的格状电极和第二导 电单元的交错式格状电极根据实际情况可以无限平移复制延伸；格状电极的外 形形状可以为圆形、椭圆形、多边形等。

通过将多个全方位多模式收集机械能的柔性可穿戴摩擦纳米发电机根据需 要串联或并联，可以得到纳米发电机组，增大输出功率，提高输出性能。

在实际的应用过程中，因为人类运动的不可控和不稳定的性质导致来自发 电机不稳定的电能输出，很多情况下这种电能输出不能直接用作电子设备的电 源，所以收集转化的能量需要由诸如电容器或电池的能量存储单元存储，从而 提供可调节和可控的输出，具体装置参见图7，发电机外接整流装置并连至存储 电能的电容两端。实验发现，对于较小的负载电容，充电电压较高，充电速度 更快。本发明的发电装置可在约25秒内为2.2uF的电容充电至0.9V。当然，为 了更有效的能量采集和储存，应该在收集人类机械能的系统中开发应用发电， 整改，管理，储存和输送等综合系统。

为了测试此种可穿戴柔性器件的实际工作能力，制作较大面积的柔性纳米 发电机，并利用其为LED灯供电，LED是一种较为典型的可以将电能转化为光 能的装置，整体测试电路原理示意图参见图8。

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。例如，各 部件的形状、材质和尺寸的变化。