一种湿度智能形变的多功能纳米发电机

本发明属于微型能量收集，具体涉及一种湿度智能形变的多功能纳米发电机。

背景技术：

1、信息科技的发展加剧了对能源的需求，利用新型的微型能量采集手段，实现从环境中收集能源的自供电技术已成为物联网传感未来发展的重要方向。微型环境能量收集技术是低功耗无线传感网络节点和移动电子设备持久可靠供电的前瞻性技术。近年来，新兴的摩擦电纳米发电机(通用学术英文缩写为teng)技术成为了一种有效的能量收集和转化方式，teng能量采集器件几乎可以从所有环境机械运动中获取能量并转化为电能。teng具有制造简单、易于组装、成本低适用性高等优点。环境中的风和雨能是自然界中常见的清洁能源，而基于teng的能量采集器对这种低频和不规则运动能量源的收集具有独特的优势。

2、然而，当前对于风或雨能收集的teng器件普遍存在功能单一、不够智能化的问题。例如，对于旋转式风杯结构的teng器件，只能利用风流带动风杯发生的旋转运动转化为电能收集风能，但是下雨的天气时不能够收集雨滴能量，在无风且干燥的天气时也无法发挥作用。因此功能单一，不能面对环境(如天气、相对湿度等)的变化而产生相应的响应，对于环境的刺激/变化无法像生物一样做出不同的反应，不够智能化。

3、因此，设计一种能够随环境变化而自主变化，从而实现不同环境下功能切换的teng能量采集器件很有必要，对于teng技术的功能化和应用将产生重要的推动。

技术实现思路

1、为了克服上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种湿度智能形变的多功能纳米发电机(teng器件)，该器件可根据不同的湿度条件自动发生相应的形变，从而实现不同功能的teng器件，teng器件在不同湿度条件下产生自适应环境的变形。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、一种湿度智能形变的多功能纳米发电机，包括弹性薄膜基底，所述弹性薄膜基底一面沉积导电层，另一面贴附摩擦介电层和湿度形变膜；所述湿度形变膜贴附在弹性薄膜基底的根部，摩擦介电层贴附在湿度形变膜上方，湿度形变膜和摩擦介电层拼接在一起，沿弹性薄膜基底竖直方向上的总长度与弹性薄膜基底长度相同；

4、所述湿度形变膜带有纳米通道，纳米通道在湿度形变膜内拉长，带有直螺旋分子链段。

5、所述弹性薄膜基底为柔韧性、弹性好的高分子薄膜材料，弹性薄膜基底形状可为三角形、四边形的多边形以及圆形，厚度一般小于5mm；形状为多边形或圆形；所述导电层为摩擦起电特性较好、导电性优良、能反射太阳辐射的材料；所述摩擦介电层为摩擦起电好的薄膜材料。

6、所述湿度形变膜的厚度为摩擦介电层厚度的0.5至1.5倍；

7、所述湿度形变膜通过胶水或超薄双面胶带与弹性薄膜基底紧紧贴合；

8、所述弹性薄膜基底、摩擦介电层、湿度形变膜的厚度比为1：1：1～2：1：1，导电层厚度在200-500nm即可。

9、所述弹性薄膜基底、摩擦介电层、导电层沿竖直方向的长度在

10、所述多功能纳米发电机，即片状teng器件，用于干燥条件下反射太阳辐射；在中等湿度环境下收集风能；在雨天收集雨滴下落能量。

11、所述片状teng器件为n个，等间距设置构成teng器件阵列，所述n大于1。

12、用于干燥条件下反射太阳辐射时，在干燥的空气环境中(一般为相对湿度rh＜30％)，片状teng器件弯曲形变到一侧，使得弹性薄膜基底上的导电层一面朝上，不透明的导电层反射太阳辐射，从而能为器件下方遮蔽热辐射，达到间接降温的目的。

13、用于中等湿度环境下(一般为相对湿度rh30％-80％区间)，片状teng器件直立或者呈现一定弯曲角度直立，相互两个片状teng由于风流的作用会发生拍打的接触-分离运动，基于摩擦起电和静电感应效应，从而将风流的扰动转化为电能；

14、其中一个片状teng的摩擦介电层作为一个摩擦起电层，相邻片状teng的导电层作为另一个摩擦起电层，在风的作用下，摩擦介电层与相邻片状teng器件的导电层产生接触-分离的运动，引起两摩擦起电层之间距离的变化，距离的变化使得两摩擦起电层之间的接触起电和静电感应效应，将在连接摩擦介电层背部导电层和相邻片状teng的导电层之间的外部线路中产生电流，从而完成了风能到电能的转化。

15、用于雨天时，空气中的水汽含量高(一般为相对湿度rh＞80％)，和干燥时候相反，此时片状teng弯曲形变到另一侧，此时弹性薄膜基底上的导电层朝下，摩擦介电层一面朝上，当雨滴下落到片状teng时，雨滴打到摩擦介电层上，从而基于摩擦起电效应将雨滴的滑动和打到片状teng时的振动能量转化为电能。

16、多功能纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：

17、(1)首先制备弹性薄膜基底；

18、(2)利用沉积的材料制备工艺在弹性薄膜基底的一面沉积导电层，导电层通过导线连接，导线与导电层之间通过焊点连接；

19、(3)将摩擦介电层贴附在弹性薄膜基底的另一面，随后用疏水剂对摩擦介电层表面进行疏水处理；

20、(4)将湿度形变膜贴附在弹性薄膜基底上；所述湿度形变膜贴附在弹性薄膜基底的根部，摩擦介电层在湿度形变膜上方，湿度形变膜和摩擦介电层拼接在一起沿弹性薄膜基底竖直方向上的总长度与基底长度相同；

21、(5)整个制备过程应在固定湿度条件下进行。制备时的具体湿度取决于不同地区的气候，在不同的湿度条件下，以片状teng可以自然笔直为准，以确保相应地区正常湿度下风能收集的有效性(一般在40％-60％相对湿度区间内选择。本申请中，根据所在城市选择的湿度约为rh 50％)。

22、本发明的有益效果：

23、本发明提供了一种能够适应不同环境湿度条件、自适应变形调节的摩擦纳米发电机。将能对环境刺激主动响应，并自主调节以适应变化的智能概念引入到基于摩擦纳米发电的能量采集器件中。

24、在完全不依赖外部能量驱动的情况下，本发明中所展示的teng器件可以在不同湿度条件下实现三种不同功能，并回收环境能量转化为电能。在干燥条件下反射太阳辐射；在中等湿度环境下收集风能；在雨天收集雨滴下落能量。

25、本发明中器件制备简单、设计巧妙、经济环保，组成阵列可以铺设在许多建筑物的屋顶上，一方面可以在强太阳辐射的天气下，通过器件的变形反射辐射功能为建筑自然降温；另一方面对风、雨滴能量的收集和电输出可以满足一些小型设备的用电量。

技术特征：

1.一种湿度智能形变的多功能纳米发电机，其特征在于，包括弹性薄膜基底(2)，所述弹性薄膜基底(2)一面沉积导电层(4)，另一面贴附摩擦介电层(3)和湿度形变膜(1)；所述湿度形变膜(1)贴附在弹性薄膜基底(2)的根部，摩擦介电层(3)贴附在湿度形变膜(1)上方，湿度形变膜(1)和摩擦介电层(3)拼接在一起，沿弹性薄膜基底(2)竖直方向上的总长度与弹性薄膜基底(2)长度相同；

2.根据权利要求1所述的一种湿度智能形变的多功能纳米发电机，其特征在于，所述弹性薄膜基底(2)形状为三角形、四边形以及圆形。

3.根据权利要求1所述的一种湿度智能形变的多功能纳米发电机，其特征在于，所述湿度形变膜(1)的厚度为摩擦介电层(3)厚度的0.5至1.5倍；

4.根据权利要求2所述的一种湿度智能形变的多功能纳米发电机，其特征在于，所述弹性薄膜基底(2)、摩擦介电层(3)、湿度形变膜(1)的厚度比为1：1：1～2：1：1，金属层厚度在200-500nm；

5.根据权利要求1-4任一项所述的一种湿度智能形变的多功能纳米发电机的应用，其特征在于，所述多功能纳米发电机，即片状teng器件，用于干燥条件下反射太阳辐射；在中等湿度环境下收集风能；在雨天收集雨滴下落能量。

6.根据权利要求5所述的多功能纳米发电机，其特征在于，所述片状teng器件为n个，等间距设置构成teng器件阵列，所述n大于1。

7.根据权利要求6所述的多功能纳米发电机，其特征在于，用于干燥条件下反射太阳辐射时，在干燥的空气环境中，片状teng器件弯曲形变到一侧，使得弹性薄膜基底(2)上金属层一面朝上，不透明的金属层反射太阳辐射，从而能为器件下方遮蔽热辐射，达到间接降温的目的。

8.根据权利要求6所述的多功能纳米发电机，其特征在于，用于中等湿度环境下，片状teng器件直立或者呈现一定弯曲角度直立，相互两个片状teng由于风流的作用会发生拍打的接触-分离运动，基于摩擦起电和静电感应效应，从而将风流的扰动转化为电能。

9.根据权利要求6所述的多功能纳米发电机，其特征在于，用于雨天时，空气中的水汽含量高，和干燥时候相反，此时片状teng弯曲形变到另一侧，此时基底膜上的金属层朝下，摩擦介电层(3)一面朝上，当雨滴下落到片状teng时，雨滴打到摩擦介电层(3)，从而基于摩擦起电效应将雨滴的滑动和打到片状teng时的振动能量转化为电能。

10.根据权利要求1-4任一项所述的一种湿度智能形变的多功能纳米发电机的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结
本发明公开了一种湿度智能形变的多功能纳米发电机，一种湿度智能形变的多功能纳米发电机，包括弹性薄膜基底，所述弹性薄膜基底一面沉积导电层，另一面贴附摩擦介电层和湿度形变材料薄膜；所述湿度形变材料膜贴附在弹性薄膜基底的根部，摩擦介电层贴附在湿度形变膜上方，湿度形变膜和摩擦介电层拼接在一起沿弹性薄膜基底竖直方向上的总长度与弹性薄膜基底长度相同。本发明TENG器件可以在不同湿度条件下产生自适应环境的变形，从而实现TENG器件在不同湿度环境下的功能，具体为：在干燥条件下反射太阳辐射，在中等湿度环境下收集风能，在高湿度的雨天环境收集雨滴能量。

技术研发人员：任泽伟,王咏梅,文震,王标,杨如森
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/24