一種基于摩擦電納米發(fā)電機的超聲和聲波探測儀的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明利用聚合物材料和金屬材料具有不同的摩擦電性質(zhì)而構(gòu)建出摩擦電納米發(fā)電機，并且基于該納米發(fā)電機設(shè)計并制備出具有超聲和聲波探測功能的探測儀。當(dāng)聲波或超聲波傳遞到探測儀的柔性外膜時，柔性外膜或者柔性外膜的某些部分發(fā)生相應(yīng)的機械振動，使柔性外膜與導(dǎo)電內(nèi)芯的接觸狀態(tài)發(fā)生相應(yīng)的變化，驅(qū)動納米發(fā)電機對外輸出電信號。本發(fā)明的超聲和聲波探測儀無需電源供電或預(yù)先充電，可以探測來自各個方向的超聲或者聲波信號，利用超聲或聲波引起的機械振動實現(xiàn)自驅(qū)動，并且采用輕薄的柔性外膜，在提高探測精度的同時也簡化了探測儀的結(jié)構(gòu)，具有便攜、結(jié)構(gòu)簡單、使用方便、節(jié)約能源等突出優(yōu)勢。
【專利說明】一種基于摩擦電納米發(fā)電機的超聲和聲波探測儀
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種基于摩擦電納米發(fā)電機的自驅(qū)動超聲和聲波探測儀。
【背景技術(shù)】
[0002]到目前為止，超聲波是唯一能在深海作遠(yuǎn)距離傳輸?shù)哪芰啃问?，而目前實用的探測水下目標(biāo)的技術(shù)只有聲納技術(shù)。接收換能器是聲納中的核心器件，它是把水下超聲波信號轉(zhuǎn)換為電信號。根據(jù)換能原理的不同，換能器有壓電式和電容式兩種。壓電式接收換能器是基于壓電效應(yīng)的傳感器。它的敏感元件由壓電材料制成，壓電材料受力后表面產(chǎn)生電荷。此電荷經(jīng)電荷放大器、測量電路和變換阻抗后就成為正比于所受外力的電量輸出。缺點是很多壓電材料需要防潮措施，而且輸出的直流響應(yīng)差，需要采用高輸入阻抗電路或電荷放大器來克服這一缺陷，而電荷放大器和高輸入阻抗電路等都需要外接電源來驅(qū)動。電容式接收換能器，一般采用兩塊具有彈性的金屬膜或鍍金屬的膜作為電容器的兩極，當(dāng)彈性膜感受壓力而變形時，兩極之間形成的電容量發(fā)生變化，通過測量電路即可輸出與壓力成一定關(guān)系的電信號。缺點是輸出有非線性，寄生電容和分布電容對靈敏度和測量精度的影響較大，以及聯(lián)接電路較復(fù)雜等，并且使用之前必須給電容充電。
[0003]現(xiàn)有的兩種水下超聲探測儀結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，并且只能探測來自某一方向的超聲波，無法探測來自四面八方的超聲波信號，最重要的是都需要外接電源對其進(jìn)行供電或者充電。由于探測器需要在水下長期工作，而對其進(jìn)行供電或者充電等操作極大地限制了其使用范圍，降低了其使用效率。雖然現(xiàn)在已經(jīng)發(fā)展出了一些利用壓電和摩擦電性能進(jìn)行驅(qū)動的發(fā)電機，但是這些發(fā)電機的結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，不適合對低強度的聲波和高頻率的超聲波進(jìn)行高效的探測，因此目前還沒有任何一種自驅(qū)動的聲波或超聲波探測器被發(fā)明出來，這大大影響了自驅(qū)動發(fā)電機的應(yīng)用領(lǐng)域。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了克服現(xiàn)有技術(shù)的上述缺點，本發(fā)明的目的在于提供一種無需外部電源的新型超聲探測儀，該探測器可以探測各個方向上的超聲波信號。為此，本發(fā)明提供一種新型摩擦電納米發(fā)電機和包含該發(fā)電機的有源(自驅(qū)動)超聲和聲波探測儀。
[0005]其中，本發(fā)明提供的摩擦電納米發(fā)電機包括導(dǎo)電內(nèi)芯和圍繞在所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面形成閉合曲面的柔性外膜，其特征在于所述柔性外膜由內(nèi)向外依次包括聚合物層、電極層和絕緣防腐層，所述聚合物層的厚度處于納米尺度，且其內(nèi)側(cè)與導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面部分不接觸或完全不接觸，所述聚合物層和導(dǎo)電內(nèi)芯分別由具有不同摩擦電性質(zhì)的物質(zhì)組成，從而使聚合物層在與導(dǎo)電內(nèi)芯接觸的過程中聚合物層得到電子，而導(dǎo)電內(nèi)芯失去電子；
[0006]優(yōu)選地，所述聚合物層內(nèi)側(cè)與所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面不接觸部分的間距保持在8_至 10 μ m ;
[0007]優(yōu)選地，所述聚合物層由容易得到電子的高分子聚合物材料構(gòu)成，可以選自聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、聚氯丁二烯、天然橡膠、聚丙烯腈和聚雙苯酚碳酸酯；
[0008]優(yōu)選地，所述聚合物層面向所述導(dǎo)電內(nèi)芯的表面上有納米結(jié)構(gòu)；優(yōu)選包括納米線、納米顆粒、納米棒、納米管或納米花；更優(yōu)選包括由納米線、納米管或納米棒組成的納米陣列；
[0009]優(yōu)選地，所述電極層由導(dǎo)電薄膜構(gòu)成，優(yōu)選金屬薄膜或銦錫氧化物薄膜，更優(yōu)選金屬薄膜，例如鋁膜、金膜、銅膜；
[0010]優(yōu)選地，所述電極層通過將金屬沉積在所述聚合物層表面而形成；
[0011 ] 優(yōu)選地，所述沉積方法優(yōu)選為磁控濺射或蒸鍍；
[0012]優(yōu)選地，所述絕緣防腐層還具有防水功能，優(yōu)選為三氧化二鋁層；
[0013]優(yōu)選地，所述絕緣防腐層通過在電極層表面沉積絕緣防腐材料而形成；
[0014]優(yōu)選地，所述沉積方法優(yōu)選為磁控濺射；
[0015]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電內(nèi)芯具有能夠?qū)щ姷耐鈧?cè)面，該外側(cè)面材料為金屬、或銦錫氧化物ITO導(dǎo)電膜，所述導(dǎo)電內(nèi)芯具有上下平行的兩個端面和連接兩個端面的封閉式外側(cè)面，優(yōu)選兩個端面與外側(cè)面的橫截面積相等，更優(yōu)選外側(cè)面的縱軸與兩個端面垂直，尤其是呈柱體、特別是圓柱體；
[0016]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電內(nèi)芯可以為玻碳棒；
[0017]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電內(nèi)芯的外表面上有納米結(jié)構(gòu)，優(yōu)選包括納米線、納米顆粒、納米棒、納米管或納米花，更優(yōu)選包括由納米線、納米管或納米棒組成的納米陣列；
[0018]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面與聚合物層內(nèi)表面之間不接觸部分的間距為5_至50 μ m,優(yōu)選 Imm 至 100 μ m,更優(yōu)選 800 μ m 至 100 μ m ；
[0019]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電內(nèi)芯和所述電極層通過導(dǎo)線連到電壓表上；
[0020]本發(fā)明還提供一種上述摩擦電納米發(fā)電機的制備方法，其特征在于:將所述導(dǎo)電內(nèi)芯與所述電極層用導(dǎo)線連接到電壓表上，然后將所述柔性外膜圍繞到所述導(dǎo)電內(nèi)芯的外側(cè)面，并調(diào)整所述導(dǎo)電內(nèi)芯與聚合物層之間的間距，最后將所述柔性外膜進(jìn)行封邊處理，使之成為圍繞在所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面的封閉曲面；
[0021 ] 優(yōu)選地，所述封邊處理為常規(guī)封邊處理方法，例如粘合處理；
[0022]本發(fā)明提供一種超聲和聲波探測儀，其特征在于包括摩擦電納米發(fā)電機、絕緣密封蓋和電壓表，其中所述摩擦電納米發(fā)電機包括導(dǎo)電內(nèi)芯和圍繞在所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面形成閉合曲面的柔性外膜，其特征在于所述柔性外膜由內(nèi)向外依次包括聚合物層、電極層和絕緣防腐層，所述聚合物層的厚度處于納米尺度且其內(nèi)側(cè)與導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面部分不接觸或完全不接觸，其中不接觸部分的間距保持在5mm至50 μ m，所述絕緣密封蓋將探測儀中除由所述絕緣防腐層覆蓋之外的裸露端面進(jìn)行絕緣密封，所述聚合物層和導(dǎo)電內(nèi)芯分別由具有不同摩擦電性質(zhì)的物質(zhì)組成，從而使聚合物層在與導(dǎo)電內(nèi)芯接觸的過程中聚合物層得到電子，而導(dǎo)電內(nèi)芯失去電子；
[0023]優(yōu)選地，所述聚合物層由容易得到電子的高分子聚合物材料構(gòu)成，優(yōu)選聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、聚氯丁二烯、天然橡膠、聚丙烯腈和聚雙苯酚碳酸酯；[0024]優(yōu)選地，所述聚合物層面向所述導(dǎo)電內(nèi)芯的表面具有納米結(jié)構(gòu)；優(yōu)選為納米線、納米顆粒、納米棒、納米管或納米花；更優(yōu)選為由納米線、納米管或納米棒組成的納米陣列；
[0025]優(yōu)選地，所述電極層由導(dǎo)電薄膜構(gòu)成，優(yōu)選金屬薄膜或銦錫氧化物薄膜，更優(yōu)選金屬包膜，例如鋁膜、金膜、銅膜；
[0026]優(yōu)選地，所述電極層通過將金屬沉積在所述聚合物層表面而形成；
[0027]優(yōu)選地，所述沉積方法優(yōu)選為磁控濺射或蒸鍍；
[0028]優(yōu)選地，所述絕緣防腐層還具有防水功能，優(yōu)選為三氧化二鋁層；
[0029]優(yōu)選地，所述絕緣防腐層通過在電極層表面沉積絕緣防腐材料而形成；
[0030]優(yōu)選地，所述沉積方法優(yōu)選為磁控濺射；
[0031]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電內(nèi)芯具有能夠?qū)щ姷耐鈧?cè)面，該外側(cè)面材料為金屬、或銦錫氧化物ITO導(dǎo)電膜，所述導(dǎo)電內(nèi)芯具有上下平行的兩個端面和連接兩個端面的封閉式外側(cè)面，優(yōu)選兩個端面與外側(cè)面的橫截面積相等，更優(yōu)選外側(cè)面的縱軸與兩個端面垂直，尤其是呈柱形；
[0032]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電內(nèi)芯可以為玻碳棒；
[0033]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電內(nèi)芯的外表面具有納米結(jié)構(gòu),優(yōu)選納米線、納米顆粒、納米棒、納米管或納米花，更優(yōu)選由納米線、納米管或納米棒組成的納米陣列；
[0034]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面與聚合物層內(nèi)表面之間不接觸部分的間距優(yōu)選1_至 100 μ m,更優(yōu)選 800 μ m 至 100 μ m ；
[0035]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電內(nèi)芯和所述電極層通過導(dǎo)線連到電壓表上；
[0036]本發(fā)明還提供上述超聲和聲波探測儀的制備方法，其特征在于:將所述導(dǎo)電內(nèi)芯與所述電極層用導(dǎo)線連接到電壓表上，然后將所述柔性外膜圍繞到所述導(dǎo)電內(nèi)芯的外側(cè)面，并調(diào)整所述導(dǎo)電內(nèi)芯與聚合物層之間的間距，再將所述柔性外膜進(jìn)行封邊處理，使之成為圍繞在所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面的封閉曲面，最后用絕緣密封蓋對所述摩擦電納米發(fā)電機的兩端進(jìn)行封裝處理。
[0037]與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的摩擦電納米發(fā)電機和使用該發(fā)電機而制成的探測儀具有下列優(yōu)點:
[0038]1、首次在無需外接電源對其進(jìn)行供電或者充電的情況下實現(xiàn)對超聲波和聲波的探測功能，不僅簡化了結(jié)構(gòu)、節(jié)省了能源，更拓展了探測儀在很多不便充電或不便連接電源的領(lǐng)域中的應(yīng)用。
[0039]2、首次使用了立式閉合型的探測表面，突破了現(xiàn)有技術(shù)中平面換能器只能對單一方向進(jìn)行探測的限制，能夠同時探測來自各個方向的聲波或超聲波信號，大大提高了對信號的捕集范圍。同時該設(shè)計還打破了現(xiàn)有技術(shù)中納米發(fā)電機均采用的雙基底常規(guī)結(jié)構(gòu)，將失電子層、基底層和電極層合而為一，極大的簡化了結(jié)構(gòu)和制備工藝，降低了生產(chǎn)成本，非常有利于在工業(yè)上的推廣和應(yīng)用。
[0040]3、創(chuàng)新的采用了柔性外膜，不僅體積輕薄，而且對振動源的響應(yīng)非常靈敏，即便輕微的超聲波或聲波都能引起外膜或外膜的某些部分往復(fù)振動，驅(qū)動摩擦電納米發(fā)電機對外輸出電信號，同時增大的探測表面增強了電信號的輸出強度，因此具有極高的探測靈敏度。
[0041]4、采用絕緣防腐層將發(fā)電機密封封裝，擴大了發(fā)電機和探測儀的使用范圍，特別是能夠在水等液體中正常使用?！緦＠綀D】

【附圖說明】
[0042]通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于顯示出本發(fā)明的主旨。
[0043]圖1為本發(fā)明提供的一種典型的摩擦電納米發(fā)電機結(jié)構(gòu)示意圖；
[0044]圖2為本發(fā)明提供的一種典型的摩擦電納米發(fā)電機的俯視圖；
[0045]圖3為本發(fā)明提供的一種典型的超聲和聲波探測儀結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0046]下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0047]其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說明，所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。
[0048]圖1所示的是本發(fā)明提供的摩擦電納米發(fā)電機的一種典型結(jié)構(gòu):表面具有導(dǎo)電性質(zhì)的導(dǎo)電內(nèi)芯101處于探測儀的中心，在其外側(cè)面圍繞有封閉的柔性外膜，所述柔性外膜由內(nèi)向外依次是聚合物層102、電極層103和絕緣防腐層104，所述導(dǎo)電內(nèi)芯101和電極層103通過導(dǎo)線與電壓表107相連，從而構(gòu)成本發(fā)明的摩擦電納米發(fā)電機。由于聚合物層102與導(dǎo)電內(nèi)芯101外表面材料的摩擦電性質(zhì)不同，二者之間存在得電子能力的差異，聚合物層102得電子能力強而導(dǎo)電內(nèi)芯101的外表面則更容易失去電子，因此當(dāng)超聲波或聲波傳遞到柔性外膜時，外膜或外膜的某些部分會發(fā)生前后往復(fù)的機械振動，從而帶動聚合物層102或聚合物層102的某些部分與導(dǎo)電內(nèi)芯101之間保持“接觸”與“分開”的不斷變化的接觸狀態(tài)，使聚合物層102表面帶有負(fù)電荷，而導(dǎo)電內(nèi)芯101外表面則帶正電荷，聚合物層102將負(fù)電荷轉(zhuǎn)移給電極層103，使得導(dǎo)電內(nèi)芯101和電極層103之間產(chǎn)生瞬態(tài)電壓，從而將聲波或超聲波轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軐崿F(xiàn)對外的瞬態(tài)電壓信號輸出。其中，柔性外膜發(fā)生機械振動的強度與超聲波和聲波的強度呈正相關(guān)，振動頻率與超聲波和聲波的頻率相同，所以可以通過獲得的電壓信號得知超聲波或聲波的強度和頻率。
[0049]本發(fā)明中涉及的材料摩擦電性質(zhì)是指材料在與其他材料發(fā)生摩擦或接觸的過程中顯示出來的得失電子能力，即兩種材料相接觸時一個帶正電，一個帶負(fù)電，說明這兩種材料的得電子能力不同，亦即二者的摩擦電性質(zhì)不同。例如，高分子材料聚對二甲基硅氧烷(PDMS)與金屬材料鋁箔接觸時鋁箔帶正電，即得電子能力較弱，聚對二甲基硅氧烷(PDMS)帶負(fù)電，即得電子能力較強
[0050]以下聚合物材料均可用于本發(fā)明的聚合物層102中，并且按照排列的順序具有越來越強的得電子能力:聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、聚氯丁二烯、天然橡膠、聚丙烯腈、聚雙苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯。限于篇幅的原因，并不能對所有可能的材料進(jìn)行窮舉，此處僅列出幾種具體的聚合物材料從人們參考，但是顯然這些具體的材料并不能成為本發(fā)明保護(hù)范圍的限制性因素，因為在發(fā)明的啟示下，本領(lǐng)域的技術(shù)人員根據(jù)這些材料所具有的摩擦電特性很容易選擇其他類似的材料。
[0051]通過實驗發(fā)現(xiàn)，當(dāng)聚合物層102的材料與導(dǎo)電內(nèi)芯101的材料得電子能力相差越大時，納米發(fā)電機輸出的電信號越強，所以，可以根據(jù)需要探測的超聲波或聲波的強度及頻率，根據(jù)上面列出的順序選擇合適的聚合物材料作為聚合物層102，以獲得最佳的電信號輸出性能。
[0052]本發(fā)明的一個重要創(chuàng)新是突破了常規(guī)平板式摩擦發(fā)電機的限制，首次采用了立式封閉外表面的結(jié)構(gòu)。目前常規(guī)的摩擦電發(fā)電機都是通過平面接觸的平板式發(fā)電機，這種發(fā)電機強調(diào)摩擦面的完全接觸以提高電信號的輸出性能，而且機械能的驅(qū)動源基本都是通過單方向施加外力而獲得。在這種教導(dǎo)下，人們完全不會想到將摩擦電發(fā)電機設(shè)計成單方向接觸面積并不大的、具有立式封閉外表面的結(jié)構(gòu)，更不會想到用這種發(fā)電機來探測同時來自不同方向的振動源。而本發(fā)明則是突破了這種限制，創(chuàng)新性的提出了具有立式封閉外表面的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)使整個導(dǎo)電內(nèi)芯101的外側(cè)面都可以與聚合物層102進(jìn)行接觸，從而提供了 360°的全方向檢測面，這對于方向難以預(yù)判的、非接觸式的振動波的采集具有突出優(yōu)勢。同時，通過柔性外膜的使用，保證了對很微小振動的靈敏響應(yīng)。
[0053]本發(fā)明的另一個重要創(chuàng)新是打破了原有失電子層需要基底支撐的常規(guī)思路，將失電子層、基底層和電極層合而為一，極大的簡化了結(jié)構(gòu)和制備工藝，節(jié)約了成本，非常有利于摩擦電納米發(fā)電機在工業(yè)生產(chǎn)中的推廣和應(yīng)用。
[0054]為了提高發(fā)電機的靈敏度，聚合物層102的厚度盡量薄一些，而制備該薄層可采用本領(lǐng)域的常規(guī)方法。
[0055]為了提高摩擦電納米發(fā)電機的輸出性能，優(yōu)選在所述聚合物層102面向所述導(dǎo)電內(nèi)芯101的表面全部或部分設(shè)置納米結(jié)構(gòu)，以增加聚合物層102和導(dǎo)電內(nèi)芯101的有效接觸面積，提高二者的表面電荷密度，該納米結(jié)構(gòu)優(yōu)選為納米線、納米顆粒、納米棒、納米管或納米花，特別是由納米線、納米管或納米棒組成的納米陣列，可以是通過光刻蝕等方法制備的線狀、立方體、或者四棱錐形狀的陣列，陣列中每個這種單元的尺寸在納米到微米量級，具體微納米結(jié)構(gòu)的單元尺寸、形狀不應(yīng)該限制本發(fā)明的范圍。
[0056]在聚合物層102的外側(cè)是電極層103，電極層103可通過導(dǎo)線與導(dǎo)電內(nèi)芯101連接到電壓表107上，構(gòu)成回路。電極層103由導(dǎo)電材料構(gòu)成，可選自金屬薄膜或銦錫氧化物薄膜，更優(yōu)選金屬薄膜，例如鋁膜、金膜、銅膜；
[0057]電極層103應(yīng)該與聚合物層102緊密接觸，以保證電荷的傳輸效率，較好的方式是將導(dǎo)電材料通過沉積的方式在所述聚合物層102的外表面成膜；具體的沉積方法可以為磁控濺射或蒸鍍。
[0058]摩擦電納米發(fā)電機在實際使用時的工作環(huán)境也是本發(fā)明在設(shè)計時著重考慮的因素，特別是當(dāng)工作環(huán)境為某些具有腐蝕性或氧化性的液體或氣氛時，如果不設(shè)防護(hù)層，電極層可能很快就被破壞，導(dǎo)致整個發(fā)電機無法正常工作。所以，為了納米發(fā)電機的攜帶方便和耐用，可以在電極層103的外側(cè)設(shè)置絕緣防腐層104，以實現(xiàn)對電極層的保護(hù)。所述絕緣防腐層104的材料可以根據(jù)工作環(huán)境的不同而有針對性的選擇，可以是單層，也可以是多層，各層的防腐絕緣材料可以相同，也可以不同，這些在防腐領(lǐng)域有很多可以借鑒的現(xiàn)有知識。此處以水下工作為例，優(yōu)選抗氧化、防腐蝕性能較好的三氧化二鋁涂層作為絕緣防腐層104。
[0059]絕緣防腐層104與電極層103之間可以接觸也可以不接觸，優(yōu)選二者緊密接觸以實現(xiàn)對聲波或超聲波振動的同步響應(yīng)，可以通過粘合或沉積的方式在電極層103的外表面包覆絕緣防腐層104 ;所述沉積方法優(yōu)選為磁控濺射。
[0060]對制備所述導(dǎo)電內(nèi)芯101的材料沒有特殊要求，只要其與聚合物層102相接觸的表面具有導(dǎo)電性即可，具有導(dǎo)電性能的材料都相對容易失去電子，在與聚合物層102接觸時就能夠形成電荷的轉(zhuǎn)移，從而產(chǎn)生凈勝電荷，用于發(fā)電。常規(guī)的導(dǎo)電材料均可用于本發(fā)明，例如金屬、玻碳材料、銦錫氧化物ITO導(dǎo)電材料以及上述材料的組合。所述的金屬可以是鋁、金、銅等純金屬，也可以是多種金屬的合金。由于與聚合物層102接觸的僅僅是導(dǎo)電內(nèi)芯101的外表面，所以僅要求導(dǎo)電內(nèi)芯101的外表面由導(dǎo)電材料構(gòu)成，而對內(nèi)部材料沒有特殊要求。因此，所述導(dǎo)電內(nèi)芯可以是組分均勻的一體結(jié)構(gòu)，如玻碳棒、單一金屬或合金棒等，也可以是基體通過包覆、沉積或鍍的方法在外表面形成導(dǎo)電材料層的非均勻結(jié)構(gòu)。為了增加所述導(dǎo)電內(nèi)芯101與聚合物層102的接觸面積，提高表面電荷密度，可以將導(dǎo)電內(nèi)芯101外表面的部分或全部形成納米結(jié)構(gòu)，該納米結(jié)構(gòu)的位置可以與聚合物層102內(nèi)表面的納米結(jié)構(gòu)相對應(yīng)，也可以相互錯開，二者的納米結(jié)構(gòu)可以相同也可以不同，作為優(yōu)選，導(dǎo)電內(nèi)芯101外表面的納米結(jié)構(gòu)為納米線、納米顆粒、納米棒、納米管或納米花，特別是由納米線、納米管或納米棒組成的納米陣列。
[0061]在超聲波或聲波的作用下，只要導(dǎo)電內(nèi)芯101與聚合物層102的接觸狀態(tài)發(fā)生變化，就會產(chǎn)生電能，使電壓表輸出瞬態(tài)電壓信號。因此，所述導(dǎo)電內(nèi)芯101外側(cè)面與聚合物層102內(nèi)表面之間在沒有超聲波或聲波的作用下可以完全不接觸，也可以部分接觸，其中不接觸部分的間距為8mm至10 μ m,較好為5mm至50 μ m,優(yōu)選Imm至100 μ m,更優(yōu)選800 μ m至 100 μ m。
[0062]所述導(dǎo)電內(nèi)芯101的立式結(jié)構(gòu)需要具有上下端面和連接兩個端面的封閉式外側(cè)面，兩個端面可以相互平行，也可以呈一定角度，優(yōu)選兩個端面平行并與外側(cè)面的橫截面積相等，更優(yōu)選外側(cè)面的縱軸與兩個端面垂直，尤其是呈柱形；導(dǎo)電內(nèi)芯101可以是實心的也可以是中空的。這些形狀和結(jié)構(gòu)上的變化一般是為了適應(yīng)工作環(huán)境的需要，對發(fā)電機的輸出性能沒有實質(zhì)性的影響，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)實際情況進(jìn)行調(diào)整，而這些調(diào)整也均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。
[0063]通過如下步驟制備上述摩擦電納米發(fā)電機:將所述導(dǎo)電內(nèi)芯101與所述電極層103用導(dǎo)線連接到電壓表上，然后將所述柔性外膜圍繞到所述導(dǎo)電內(nèi)芯101的外側(cè)面，并調(diào)整所述導(dǎo)電內(nèi)芯與聚合物層102之間的間距，最后將所述柔性外膜進(jìn)行封邊處理，使之成為圍繞在所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面的封閉曲面。根據(jù)需要，可以將聚合物層102、電極層103和/或絕緣防腐層104通過粘合或沉積等方式預(yù)先形成一個整體，再將其圍繞在所述導(dǎo)電內(nèi)芯101的外側(cè)；也可以由內(nèi)向外一層一層的包覆。對柔性外膜的封邊處理采用常規(guī)手段即可，例如粘合處理。
[0064]圖3所示的是本發(fā)明提供的超聲和聲波探測儀的一種典型結(jié)構(gòu):表面具有導(dǎo)電性質(zhì)的導(dǎo)電內(nèi)芯101處于探測儀的中心，在其外側(cè)面圍繞有封閉的柔性外膜，所述柔性外膜由內(nèi)向外依次是聚合物層102、電極層103和絕緣防腐層104，所述導(dǎo)電內(nèi)芯101和電極層103通過導(dǎo)線與電壓表107相連，導(dǎo)電內(nèi)芯101和柔性外膜共同形成的上下端面分別由絕緣密封蓋105和106封裝，從而構(gòu)成本發(fā)明的超聲和聲波探測儀。可以看出，本發(fā)明的超聲和聲波探測儀的核心部件是摩擦電納米發(fā)電機，將該納米發(fā)電機的兩端加裝密封蓋進(jìn)行封裝即成為便攜、自驅(qū)動的超聲和聲波探測儀，可以放在任何需要的環(huán)境中實現(xiàn)對聲波和超聲波的探測。所以，前面對摩擦電納米發(fā)電機各部件的說明均適用于本超聲和聲波探測儀，此處不再贅述。
[0065]但是需要說明的是，在將本發(fā)明的納米發(fā)電機應(yīng)用到對聲波和超聲波的檢測過程中，發(fā)明人發(fā)現(xiàn)對于聲波和超聲波的常規(guī)強度而言，為了達(dá)到較好的探測效果，對聚合物層102和導(dǎo)電內(nèi)芯101外表面不接觸部分的間距控制是非常關(guān)鍵的因素。并非所有在震動下能夠使聚合物層102和導(dǎo)電內(nèi)芯101外表面接觸的間距都能夠產(chǎn)生出良好的輸出信號，發(fā)明人通過大量實驗和綜合研究提出了比較好的間距范圍是5mm至50 μ m，優(yōu)選Imm至100 μ m，更優(yōu)選800 μ m至100 μ m。這種優(yōu)選范圍的提出也是本發(fā)明的一個重要貢獻(xiàn)所在。
[0066]關(guān)于上下絕緣密封蓋105和106，主要起到對納米發(fā)電機的密封作用，使用現(xiàn)有技術(shù)中的絕緣密封材料即可。
[0067]采用如下方法制備本發(fā)明的超聲和聲波探測儀:將所述導(dǎo)電內(nèi)芯101與所述電極層103用導(dǎo)線連接到電壓表107上，然后將所述柔性外膜圍繞到所述導(dǎo)電內(nèi)芯101的外側(cè)面，并調(diào)整所述導(dǎo)電內(nèi)芯101與聚合物層102之間的間距，再將所述柔性外膜進(jìn)行封邊處理，使之成為圍繞在所述導(dǎo)電內(nèi)芯101外側(cè)面的封閉曲面，最后用上絕緣密封蓋105和下絕緣密封蓋106對所述摩擦電納米發(fā)電機的兩端進(jìn)行封裝處理。
[0068]實施例1:摩擦電納米發(fā)電機的制備
[0069]采用蒸鍍法在長5cmX寬6.5cmX厚50 μ m的聚酰亞胺的下表面均勻鍍上一層金Au薄膜，冷卻后將一根導(dǎo)線的一端通過焊接固定在金Au薄層的外側(cè)，實現(xiàn)金Au薄層與導(dǎo)線的連接；在該金Au薄膜表面再通過磁控濺射均勻沉積一定厚度的三氧化二鋁作為絕緣防腐層，如此形成由聚酰亞胺、Au薄膜和三氧化二鋁薄層構(gòu)成的柔性外膜。以底面直徑為2cm、高為5cm的鋁圓柱體作為導(dǎo)電內(nèi)芯，將一根導(dǎo)線的一端固定在導(dǎo)電內(nèi)芯的頂端，實現(xiàn)導(dǎo)線和導(dǎo)電內(nèi)芯的連接。將連有導(dǎo)線的柔性外膜以聚合物層朝向鋁芯，并在鋁圓柱體的立面外側(cè)圍繞一周，調(diào)整金屬芯與外膜之間的縫隙約為500 μ m，使外膜幾乎貼在金屬芯上，再將柔性外膜重合的兩邊粘合，以形成封閉的曲面。
[0070]對發(fā)電機的柔性外膜施加外力，如揉搓或輕按，電壓表有相應(yīng)的電信號輸出，說明能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行發(fā)電。
[0071]實施例2:摩擦電納米發(fā)電機的制備
[0072]采用蒸鍍法在長15cmX寬6.5cmX厚10 μ m的聚酰亞胺的下表面均勻鍍上一層銦錫氧化物(ITO)薄膜，冷卻后將一根導(dǎo)線的一端通過焊接固定在銦錫氧化物薄層的外側(cè)，實現(xiàn)銦錫氧化物薄層與導(dǎo)線的連接；在該銦錫氧化物薄膜表面再通過磁控濺射均勻沉積一定厚度的三氧化二鋁作為絕緣防腐層，如此形成由聚酰亞胺、銦錫氧化物薄膜和三氧化二鋁薄層構(gòu)成的柔性外膜。以底面直徑為2cm、高為15cm的玻碳棒作為導(dǎo)電內(nèi)芯，將一根導(dǎo)線的一端固定在導(dǎo)電內(nèi)芯的頂端，實現(xiàn)導(dǎo)線和導(dǎo)電內(nèi)芯的連接。將連有導(dǎo)線的柔性外膜以聚合物層朝向玻碳棒，并在玻碳棒的立面外側(cè)圍繞一周，調(diào)整金屬芯與外膜之間的縫隙約為7_，使外膜幾乎貼在金屬芯上，再將柔性外膜重合的兩邊粘合，以形成封閉的曲面。[0073]對發(fā)電機的柔性外膜施加外力，如揉搓或輕按，電壓表有相應(yīng)的電信號輸出，說明能夠?qū)C械能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行發(fā)電。
[0074]實施例3:超聲波探測儀的制備
[0075]采用蒸鍍法在尺寸為長IOcmX寬12.8cmX厚100 μ m的聚對二甲基硅氧烷的下表面均勻鍍上一層鋁Al薄膜，冷卻后將一根導(dǎo)線的一端通過焊接固定在鋁Al薄層的外側(cè)，實現(xiàn)鋁Al薄層與導(dǎo)線的連接；在該鋁Al薄膜表面再通過磁控濺射均勻沉積一定厚度的三氧化二鋁作為絕緣防腐層，如此形成由聚酰亞胺、鋁Al薄膜和三氧化二鋁薄層構(gòu)成的柔性外膜。以底面直徑為2cm、高為IOcm的銅圓柱體作為導(dǎo)電內(nèi)芯，將一根導(dǎo)線的一端固定在導(dǎo)電內(nèi)芯的頂端，實現(xiàn)導(dǎo)線和導(dǎo)電內(nèi)芯的連接。將連有導(dǎo)線的柔性外膜以聚合物層朝向鋁芯，并在銅圓柱體的立面外側(cè)圍繞一周，調(diào)整金屬芯與外膜之間的縫隙約為4mm，再將柔性外膜重合的兩邊粘合，以形成封閉的曲面。最后在納米發(fā)電機的兩端加蓋絕緣密封蓋，并用防水膠進(jìn)行密封處理。
[0076]將本實施例的探測儀置于水下，然后在水下放入一個超聲波振動源。當(dāng)產(chǎn)生的超聲波傳遞到外膜時，可以看到外膜發(fā)生機械振動，膜或膜的某些部分與金屬芯的接觸狀態(tài)相應(yīng)的發(fā)生變化，電壓表采集到由探測器所輸出的電壓信號。
[0077]實施例4:聲波探測儀的制備
[0078]采用濺射法在尺寸為長4cmX寬12.8cmX厚IOOnm的聚對二甲基硅氧烷的下表面均勻鍍上一層銅Cu薄膜，冷卻后將一根導(dǎo)線的一端通過焊接固定在銅Cu薄層的外側(cè)，實現(xiàn)銅Cu薄層與導(dǎo)線的連接；在該銅Cu薄膜表面再通過磁控濺射均勻沉積一定厚度的三氧化二鋁作為絕緣防腐層，如此形成由聚酰亞胺、銅Cu薄膜和三氧化二鋁薄層構(gòu)成的柔性外膜。以底面直徑為2cm、高為4cm的表面鍍有銦錫氧化物(ITO)的六棱柱體作為導(dǎo)電內(nèi)芯，將一根導(dǎo)線的一端固定在導(dǎo)電內(nèi)芯的頂端，實現(xiàn)導(dǎo)線和導(dǎo)電內(nèi)芯的連接。將連有導(dǎo)線的柔性外膜以聚合物層朝向?qū)щ妰?nèi)芯，并在該六棱柱體的立面外側(cè)圍繞一周，調(diào)整金屬芯與外膜之間的縫隙約為50 μ m，使外膜幾乎貼在金屬芯上，再將柔性外膜重合的兩邊粘合，以形成封閉的曲面。最后在納米發(fā)電機的兩端加蓋絕緣密封蓋，并用防水膠進(jìn)行密封處理。
[0079]將本實施例的探測儀置于空氣中，然后在附近放一個聲波振動源。當(dāng)振動源工作時，電壓表采集到由探測儀輸出的電壓信號，表明該探測器對聲波具有探測功能。
[0080]以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上的限制。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案作出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種摩擦電納米發(fā)電機，包括導(dǎo)電內(nèi)芯和圍繞在所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面形成閉合曲面的柔性外膜，其特征在于所述柔性外膜由內(nèi)向外依次包括聚合物層、電極層和絕緣防腐層，所述聚合物層的厚度處于納米尺度且其內(nèi)側(cè)與導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面部分不接觸或完全不接觸，所述聚合物層和所述導(dǎo)電內(nèi)芯分別由具有不同摩擦電性質(zhì)的物質(zhì)組成，從而使所述聚合物層在與所述導(dǎo)電內(nèi)芯接觸的過程中所述聚合物層得到電子，而所述導(dǎo)電內(nèi)芯失去電子。
2.如權(quán)利要求1所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述聚合物層內(nèi)側(cè)與所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面不接觸部分的間距保持在8mm至10 μ m。
3.如權(quán)利要求1所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述聚合物層由容易得到電子的高分子聚合物材料構(gòu)成。
4.如權(quán)利要求3所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述高分子聚合物材料選自聚酰亞胺、聚氯乙烯、聚四氟乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、聚苯乙烯、聚偏二氯乙烯、聚氯醚、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚異丁烯、聚氨酯彈性海綿、聚對苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇縮丁醛、聚氯丁二烯、天然橡膠、聚丙烯腈和聚雙苯酚碳酸酯。
5.如權(quán)利要求1所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述聚合物層面向所述導(dǎo)電內(nèi)芯的表面上具有納米結(jié)構(gòu)。
6.如權(quán)利要求5所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述納米結(jié)構(gòu)包括納米線、納米顆粒、納米棒、納米管或納米花。
7.如權(quán)利要求6所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述納米結(jié)構(gòu)包括由納米線、納米管或納米棒組成的納米陣列。
8.如權(quán)利要求1-7任一項所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述電極層由導(dǎo)電薄膜構(gòu)成。
9.如權(quán)利要求8所述的納`米發(fā)電機，其特征在于所述導(dǎo)電薄膜選自金屬薄膜或銦錫氧化物薄膜。
10.如權(quán)利要求9所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述金屬薄膜為鋁膜、金膜或銅膜。
11.如權(quán)利要求9所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述導(dǎo)電薄膜通過將金屬沉積在所述聚合物層表面而形成。
12.如權(quán)利要求11所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述沉積方法為磁控濺射或蒸鍍。
13.如權(quán)利要求1所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述絕緣防腐層還具有防水功能。
14.如權(quán)利要求13所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述絕緣防腐層為三氧化二鋁層。
15.如權(quán)利要求1所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述絕緣防腐層通過在電極層表面沉積絕緣防腐材料而形成。
16.如權(quán)利要求15所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述沉積方法為磁控濺射。
17.如權(quán)利要求1-7任一項所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述導(dǎo)電內(nèi)芯具有能夠?qū)щ姷耐鈧?cè)面。
18.如權(quán)利要求17所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述外側(cè)面材料為金屬或銦錫氧化物導(dǎo)電膜。
19.如權(quán)利要求17所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述導(dǎo)電內(nèi)芯為玻碳棒。
20.如權(quán)利要求1-7任一項所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述導(dǎo)電內(nèi)芯具有上下平行的兩個端面和連接兩個端面的封閉式外側(cè)面。
21.如權(quán)利要求20所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述導(dǎo)電內(nèi)芯為柱體。
22.如權(quán)利要求1-7任一項所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述導(dǎo)電內(nèi)芯的外表面上有納米結(jié)構(gòu)。
23.如權(quán)利要求1-7任一項所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面與聚合物層內(nèi)表面之間不接觸部分的間距范圍為1mm至100 μ m。
24.如權(quán)利要求23所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面與聚合物層內(nèi)表面之間不接觸部分的間距為800 μ m至100 μ m。
25.如權(quán)利要求1-7任一項所述的納米發(fā)電機，其特征在于所述導(dǎo)電內(nèi)芯和所述電極層通過導(dǎo)線連到電壓表上。
26.—種如權(quán)利要求25所述的摩擦電納米發(fā)電機的制備方法，其特征在于:將所述導(dǎo)電內(nèi)芯與所述電極層用導(dǎo)線連接到電壓表上，然后將所述柔性外膜圍繞到所述導(dǎo)電內(nèi)芯的外側(cè)面，并調(diào)整所述導(dǎo)電內(nèi)芯與聚合物層之間的間距，最后將所述柔性外膜進(jìn)行封邊處理，使之成為圍繞在所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面的封閉曲面。
27.如權(quán)利要求26所述的制備方法，其特征在于所述封邊處理為粘合處理。
28.—種超聲和聲波探測儀，其特征在于包括權(quán)利要求1-24任一項所述的摩擦電納米發(fā)電機、絕緣密封蓋和電壓表，其中所述聚合物層內(nèi)側(cè)與所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面不接觸部分的間距保持在5mm至50 μ m,所述導(dǎo)電內(nèi)芯和所述電極層通過導(dǎo)線連到電壓表上，所述絕緣密封蓋將探測儀中除由所述絕緣防腐層覆蓋之外的裸露端面進(jìn)行絕緣密封。
29.一種權(quán)利要求28所述的超聲和聲波探測儀的制備方法，其特征在于:將所述導(dǎo)電內(nèi)芯與所述電極層用導(dǎo)線連接到電壓表上，然后將所述柔性外膜圍繞到所述導(dǎo)電內(nèi)芯的外側(cè)面，并調(diào)整所述導(dǎo) 電內(nèi)芯與聚合物層之間的間距，再將所述柔性外膜進(jìn)行封邊處理，使之成為圍繞在所述導(dǎo)電內(nèi)芯外側(cè)面的封閉曲面，最后用絕緣密封蓋對所述摩擦電納米發(fā)電機的兩端進(jìn)行封裝處理。
【文檔編號】G01H11/06GK103780121SQ201310006277
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2013年1月8日 優(yōu)先權(quán)日:2013年1月8日
【發(fā)明者】王中林, 張虎林, 楊亞 申請人:國家納米科學(xué)中心