一种柔性摩擦纳米发电机及其制备方法和应用

本发明涉及摩擦纳米发电机，具体涉及一种柔性摩擦纳米发电机及其制备方法和应用。

背景技术：

1、摩擦纳米发电机是一种新型的发电器件，其通过利用两种电负性不同的材料进行相互接触-分离运动产生电荷转移，从而在电极层上产生感应电势差，驱动外部电路电子流动产生电流，实现将微小的机械能转化为电能。摩擦纳米发电机具有尺寸小、结构简单、灵敏度高、成本低、制备材料丰富、能量转换效率高等优势，在传感器、物联网、微纳能源、可穿戴电子、人机交互等领域具有广阔的应用前景。

2、然而，现有的摩擦纳米发电机普遍存在以下问题：1)耐久性差，机械性能差，柔韧性不足，难以满足可穿戴电子设备的应用需求；2)制备工艺流程复杂，生产效率低，难以进行大规模工业生产；3)适用范围具有非常大的局限性，难以在高温、化学腐蚀环境下长时间正常运行，不能满足多样化的应用需求。综上可知，现有的摩擦纳米发电机尚存在明显的缺陷，难以完全满足实际应用要求。

3、因此，开发一种柔韧性和机械性能好、耐高温、耐化学腐蚀、使用寿命长、制备工艺简单的摩擦纳米发电机具有十分重要的意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种柔性摩擦纳米发电机及其制备方法和应用。

2、本发明所采取的技术方案是：

3、一种柔性摩擦纳米发电机，其组成包括第一电极层、正极摩擦层、负极摩擦层、第二电极层和柔性支撑骨架；所述第一电极层与正极摩擦层贴合；所述负极摩擦层与第二电极层贴合；所述第一电极层和第二电极层均固定在柔性支撑骨架上；所述正极摩擦层和负极摩擦层面对面设置，且两者不直接接触；所述正极摩擦层为芳纶纤维纸；所述负极摩擦层为硅橡胶薄膜、聚四氟乙烯薄膜、碳纤维布中的一种。

4、优选的，所述芳纶纤维纸的面密度为30g/m2～70g/m2。

5、优选的，所述芳纶纤维纸的组成包括芳纶浆粕纤维(平均长度为280μm～1200μm)、芳纶纳米纤维中的至少一种。

6、进一步优选的，所述芳纶纤维纸由芳纶纳米纤维组成。

7、优选的，所述硅橡胶薄膜的厚度为0.5mm～5mm。

8、优选的，所述柔性支撑骨架为厚度50μm～200μm的柔性薄膜。

9、优选的，所述柔性薄膜为聚酰亚胺薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚四氟乙烯薄膜中的一种。

10、进一步优选的，所述柔性薄膜为聚酰亚胺薄膜。

11、优选的，所述第一电极层为金箔、铜箔、银纳米线层、石墨烯层、碳纤维布中的一种。

12、进一步优选的，所述第一电极层为铜箔。

13、优选的，所述第二电极层为金箔、铜箔、银纳米线层、石墨烯层、碳纤维布中的一种。

14、进一步优选的，所述第二电极层为铜箔。

15、优选的，所述第一电极层与第二电极层进行电连接。

16、优选的，所述柔性摩擦纳米发电机的工作模式为垂直接触分离模式。

17、一种如上所述的柔性摩擦纳米发电机的制备方法包括以下步骤：

18、1)将芳纶纤维用溶剂分散制成分散液，再抽滤制成芳纶纤维纸，并将硅橡胶成膜制成硅橡胶薄膜；

19、2)将第一电极层粘附在芳纶纤维纸表面，并将第二电极层粘附在硅橡胶薄膜表面，再将第一电极层和第二电极层固定在柔性支撑骨架上，再将芳纶纤维纸和硅橡胶薄膜面对面设置并保持两者不接触，即得柔性摩擦纳米发电机。

20、优选的，步骤1)所述芳纶纤维纸的具体制备过程为：将芳纶纤维用溶剂分散制成分散液，抽滤，再进行干燥，即得芳纶纤维纸。

21、优选的，所述分散液的浓度为0.5mg/l～3mg/l。

22、优选的，所述干燥的方式为鼓风干燥、真空干燥、热压干燥中的一种。

23、优选的，步骤1)所述硅橡胶薄膜的具体制备过程为：将预固化硅橡胶的a组分和b组分混匀，再浇筑到模板上，再进行抽真空除气泡，再加热进行固化，即得硅橡胶薄膜。

24、优选的，所述a组分、b组分的体积比为1:1。

25、优选的，所述固化在30℃～120℃下进行，固化时间为0.5h～4h。

26、一种可穿戴电子设备，其包含上述柔性摩擦纳米发电机。

27、本发明的柔性摩擦纳米发电机的工作机理(基于摩擦起电和静电感应的耦合效应)：当柔性摩擦纳米发电机受到外力挤压作用时，正极摩擦层和负极摩擦层接触，两个摩擦层电负性不同会产生摩擦起电效应，当外力释放时，由于静电感应，两个摩擦层背面的电极层会感应出异种电荷，导致在两个电极层上产生感应电势差，驱动电子在两个电极层之间流动，产生电信号，直到重新达到平衡，感应电势差消失，两个电极层之间的电子不再流动，当柔性摩擦纳米发电机再次受到外力挤压作用时，平衡状态被打破，电子在电极层上反向移动，整个循环过程产生交流电信号。

28、本发明的有益效果是：本发明的柔性摩擦纳米发电机具有柔韧性和机械性能好、耐高温、耐化学腐蚀、使用寿命长等优点，且其制备工艺简单、生产成本低，可以满足传感器、物联网、微纳能源、可穿戴电子、人机交互等多样化应用场景的需求。

29、具体来说：

30、1)本发明的柔性摩擦纳米发电机采用芳纶纤维纸作为正极摩擦层，硅橡胶薄膜作为负极摩擦层，芳纶纤维纸可以采用传统的抄纸工艺生产，硅橡胶薄膜采用浇筑法制备，以上两种方式都具有工艺流程简单、成本低、适合大规模生产等优点；

31、2)本发明的柔性摩擦纳米发电机中的芳纶纤维纸具有高强度、高模量、耐高温、耐老化和耐化学腐蚀等优良特性，将其作为摩擦层的摩擦纳米发电机具有柔韧性好、稳定性高、机械性能好等优点，可以满足多样化甚至恶劣环境(例如：高温、化学腐蚀等)下的应用需求；

32、3)本发明的柔性摩擦纳米发电机中的芳纶纤维纸表面粗糙多孔，将其与硅橡胶薄膜配对组装而成的摩擦纳米发电机具有输出性能好、灵敏度高等优点，适合用于可穿戴电子、人机交互等领域。

技术特征：

1.一种柔性摩擦纳米发电机，其特征在于，组成包括第一电极层、正极摩擦层、负极摩擦层、第二电极层和柔性支撑骨架；所述第一电极层与正极摩擦层贴合；所述负极摩擦层与第二电极层贴合；所述第一电极层和第二电极层均固定在柔性支撑骨架上；所述正极摩擦层和负极摩擦层面对面设置，且两者不直接接触；所述正极摩擦层为芳纶纤维纸；

2.根据权利要求1所述的柔性摩擦纳米发电机，其特征在于：所述芳纶纤维纸的面密度为30g/m2～70g/m2。

3.根据权利要求1或2所述的柔性摩擦纳米发电机，其特征在于：所述芳纶纤维纸的组成包括芳纶浆粕纤维、芳纶纳米纤维中的至少一种。

4.根据权利要求1或2所述的柔性摩擦纳米发电机，其特征在于：所述硅橡胶薄膜的厚度为0.5mm～5mm。

5.根据权利要求1或2所述的柔性摩擦纳米发电机，其特征在于：所述柔性支撑骨架为厚度50μm～200μm的柔性薄膜。

6.根据权利要求5所述的柔性摩擦纳米发电机，其特征在于：所述柔性薄膜为聚酰亚胺薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚四氟乙烯薄膜中的一种。

7.根据权利要求1或2所述的柔性摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第一电极层为金箔、铜箔、银纳米线层、石墨烯层、碳纤维布中的一种。

8.根据权利要求1或2所述的柔性摩擦纳米发电机，其特征在于：所述第二电极层为金箔、铜箔、银纳米线层、石墨烯层、碳纤维布中的一种。

9.一种如权利要求1～8中任意一项所述的柔性摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

10.一种可穿戴电子设备，其特征在于，包含权利要求1～8中任意一项所述的柔性摩擦纳米发电机。

技术总结
本发明公开了一种柔性摩擦纳米发电机及其制备方法和应用。本发明的柔性摩擦纳米发电机的组成包括第一电极层、正极摩擦层、负极摩擦层、第二电极层和柔性支撑骨架，第一电极层与正极摩擦层贴合，负极摩擦层与第二电极层贴合，第一电极层和第二电极层均固定在柔性支撑骨架上，正极摩擦层和负极摩擦层面对面设置，且两者不直接接触，正极摩擦层为芳纶纤维纸，负极摩擦层为硅橡胶薄膜。本发明的柔性摩擦纳米发电机具有柔韧性和机械性能好、耐高温、耐化学腐蚀、使用寿命长等优点，且其制备工艺简单、生产成本低，可以满足传感器、物联网、微纳能源、可穿戴电子、人机交互等多样化应用场景的需求。

技术研发人员：耿魁伟,张浩,刘玉荣,姚若河
受保护的技术使用者：华南理工大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13