一種磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電的制造方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，屬于納米【技術(shù)領(lǐng)域】。該納米摩擦發(fā)電機包括：第一高分子聚合物絕緣層；第一電極，位于第一高分子聚合物絕緣層的第一側(cè)表面上；第二高分子聚合物絕緣層；第二電極，位于第二高分子聚合物絕緣層的第一側(cè)表面上；居間薄膜，其一側(cè)表面設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)，居間薄膜設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面與第一高分子聚合物絕緣層的第二側(cè)表面貼合，居間薄膜未設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面固定在第二高分子聚合物絕緣層的第二側(cè)表面上；磁性材料層，位于所述第一電極或第二電極上。本發(fā)明提供的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，無需外部的作用力直接作用于發(fā)電機器件本身即可實現(xiàn)發(fā)電。
【專利說明】一種磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及納米【技術(shù)領(lǐng)域】，更具體地說，涉及一種磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機。
【背景技術(shù)】
[0002]納米技術(shù)也稱毫微技術(shù)，是研究結(jié)構(gòu)尺寸在0.1至100納米范圍內(nèi)材料的性質(zhì)和應(yīng)用的一種技術(shù)。納米科學的概念是在20世紀80年代初提出的，現(xiàn)如今納米技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用到材料、機械、電子、生物、醫(yī)藥等諸多領(lǐng)域。其中，采用納米技術(shù)的能量收集和轉(zhuǎn)換裝置，由于其獨特的自發(fā)電和自驅(qū)動性質(zhì)，很可能在制造和驅(qū)動自供電納米器件和納米系統(tǒng)裝置中起到關(guān)鍵性的作用，最近受到了各國研究人員越來越多的關(guān)注。2006年，美國佐治亞理工學院王中林教授研究組首次成功實現(xiàn)了利用氧化鋅納米線將機械能轉(zhuǎn)化成電能的壓電式納米發(fā)電機。隨后，以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，基于不同材料和結(jié)構(gòu)的各種納米發(fā)電機被相繼研制出來。目前，納米發(fā)電機的輸出功率足以驅(qū)動商用發(fā)光二極管(LED)、小型液晶顯示器、甚至自供電無線數(shù)據(jù)傳送設(shè)備。功率密度也已經(jīng)達到了 l-10mW/cm3。
[0003]然而，現(xiàn)有的納米發(fā)電機在將機械能轉(zhuǎn)化為電能的過程中，都需要外部作用力直接作用于發(fā)電機器件本身。這將導(dǎo)致其在一些特殊的場合下無法適用，例如在動物體內(nèi)，以及一些外力無法直接接觸的部分，從而大大限制了納米發(fā)電機的應(yīng)用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的發(fā)明目的是針對現(xiàn)有技術(shù)的缺陷，提出一種磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，無需外部的作用力直接作用于發(fā)電機器件本身即可實現(xiàn)發(fā)電。
[0005]本發(fā)明提供了一種磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，包括:
[0006]第一高分子聚合物絕緣層；
[0007]第一電極，位于所述第一高分子聚合物絕緣層的第一側(cè)表面上；
[0008]第二高分子聚合物絕緣層；
[0009]第二電極，位于所述第二高分子聚合物絕緣層的第一側(cè)表面上；
[0010]居間薄膜，其一側(cè)表面設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)，所述居間薄膜設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面與所述第一高分子聚合物絕緣層的第二側(cè)表面貼合，所述居間薄膜未設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面固定在所述第二高分子聚合物絕緣層的第二側(cè)表面上；
[0011]磁性材料層，位于所述第一電極或第二電極上；
[0012]所述第一電極和第二電極是所述磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的輸出電極。
[0013]作為一種實施方式，所述磁性材料層所采用的材料具體為鐵、鈷或鎳，或者具體為鐵、鈷或鎳的氧化物。
[0014]作為另一種實施方式，所述磁性材料層為具有磁性粒子的高分子聚合物絕緣層。
[0015]進一步的，所述磁性粒子具體為鐵、鈷或鎳粒子，或者具體為鐵、鈷或鎳的氧化物粒子。
[0016]進一步的，所述磁性粒子為磁性納米粒子。[0017]作為又一種實施方式，所述磁性材料層為鍍有磁性材料的高分子聚合物絕緣層。
[0018]進一步的，所述磁性材料具體為鐵、鈷或鎳，或者具體為鐵、鈷或鎳的氧化物。
[0019]本發(fā)明還提供了一種磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，包括:
[0020]第一高分子聚合物絕緣層；
[0021]第一電極，位于所述第一高分子聚合物絕緣層的第一側(cè)表面上；
[0022]第二高分子聚合物絕緣層；
[0023]第二電極，位于所述第二高分子聚合物絕緣層的第一側(cè)表面上；
[0024]居間薄膜，其一側(cè)表面設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)，所述居間薄膜設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面與所述第一高分子聚合物絕緣層的第二側(cè)表面貼合，所述居間薄膜未設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面固定在所述第二高分子聚合物絕緣層的第二側(cè)表面上；
[0025]所述第一高分子聚合物絕緣層或所述第二高分子聚合物絕緣層具有磁性物質(zhì)；
[0026]所述第一電極和第二電極是所述磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的輸出電極。
[0027]進一步的，所述第一高分子聚合物絕緣層或所述第二高分子聚合物絕緣層中具有磁性粒子。
[0028]進一步的，所述磁性粒子具體為鐵、鈷或鎳粒子，或者具體為鐵、鈷或鎳的氧化物粒子。
[0029]進一步的，所述磁性粒子為磁性納米粒子。
[0030]本發(fā)明提供的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，無需外部的作用力直接作用于發(fā)電機器件本身，而是通過在電極上涂覆磁性材料層或采用含有磁性物質(zhì)的第一高分子聚合物絕緣層或第二高分子聚合物絕緣層，借用磁場和磁力使對應(yīng)的高分子聚合物絕緣層發(fā)生形變，從而帶動納米摩擦發(fā)電機整體發(fā)生彎曲，這種彎曲又會導(dǎo)致納米摩擦發(fā)電機的內(nèi)部摩擦界面發(fā)生相對運動，進而產(chǎn)生電能。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0031]圖1為本發(fā)明提供的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的實施例一的截面示意圖；
[0032]圖2a為用于制作本發(fā)明的居間薄膜的圖形化的硅模板的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0033]圖2b為在圖2a的硅模板上涂敷了本發(fā)明的居間薄膜的示意圖；
[0034]圖2c至圖2e為不同圖形化的硅模板以及通過其制作出的具有不同形狀的微納凹凸結(jié)構(gòu)的居間薄膜的分解示意圖；
[0035]圖3a至圖3c為本發(fā)明的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機中具有微納凹凸結(jié)構(gòu)的居間薄膜的示意圖；
[0036]圖4為在外界磁場的驅(qū)動下納米摩擦發(fā)電機發(fā)生彎曲時的截面示意圖；
[0037]圖5為本發(fā)明提供的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的實施例二的截面示意圖；
[0038]圖6為本發(fā)明提供的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的實施例三的截面示意圖。
【具體實施方式】
[0039]下面結(jié)合附圖及優(yōu)選實施方式對本發(fā)明技術(shù)方案進行詳細說明。
[0040]圖1為本發(fā)明提供的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的實施例一的截面示意圖。如圖1所示，該磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機包括:第一高分子聚合物絕緣層11、第一電極12、第二高分子聚合物絕緣層13、第二電極14、居間薄膜15以及磁性材料層16。具體地，第一電極12位于第一高分子聚合物絕緣層11的第一側(cè)表面Ila上，第二電極14位于第二高分子聚合物絕緣層13的第一側(cè)表面13a上。居間薄膜15也是一高分子聚合物絕緣層，它位于第一高分子聚合物絕緣層11和第二高分子聚合物絕緣層13之間。居間薄膜15的一側(cè)表面具有四棱錐型的微納凹凸結(jié)構(gòu)。但居間薄膜15的微納凹凸結(jié)構(gòu)并不僅限于四棱錐型，還可以制作成其它形狀，可以為條紋狀、立方體型或圓柱形等等。居間薄膜15的微納凹凸結(jié)構(gòu)通常為有規(guī)律的納米級至微米級的凹凸結(jié)構(gòu)。居間薄膜15的未設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面固定在第二高分子聚合物絕緣層13的第二側(cè)表面13b上，居間薄膜15設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面與第一高分子聚合物絕緣層11的第二側(cè)表面Ilb正對貼合并通過外側(cè)邊緣固定連接，兩者之間形成一個摩擦界面。磁性材料層16位于第一電極12上。本實施例中，第一電極12和第二電極14是磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的輸出電極，第一電極12和第二電極14可以外接電流表或電壓表，形成外電路。
[0041]本實施例提供的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電的制造方法包括如下步驟:
[0042]I)首先制備居間薄膜15。
[0043]關(guān)于本發(fā)明磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的居間薄膜15，可以采用先制作圖形化的硅模板，然后以圖形化的硅模板為模具來制作居間薄膜15的制作方法。下面結(jié)合圖2a_2e和3a_3c具體說明。
[0044]圖2a示出了用于制作本發(fā)明的居間薄膜的圖形化的硅模板的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2b示出了在圖2a的硅模板上涂敷了本發(fā)明的居間薄膜的示意圖；圖2(:至圖2e示出了不同圖形化的硅模板以及通過其制作出的具有不同形狀的微納凹凸結(jié)構(gòu)的居間薄膜的分解示意圖。
[0045]如圖2a所示的圖形化的硅模板的具體制作方法如下:首先采用光刻的方法在4英寸(100)晶向的硅片表面上制作出規(guī)則的圖形；然后對制作好規(guī)則的圖形的硅片通過相應(yīng)的刻蝕工藝，刻蝕出與微納凹凸結(jié)構(gòu)相對應(yīng)的陣列結(jié)構(gòu)。例如，通過濕刻的工藝進行各向異性刻蝕，可以刻蝕出凹形的四棱錐陣列結(jié)構(gòu)，或者通過干刻的工藝進行各向同性刻蝕，可以刻蝕出凹形的立方體陣列結(jié)構(gòu)。將刻蝕了相應(yīng)形狀的微納凹凸結(jié)構(gòu)的陣列結(jié)構(gòu)硅片用丙酮和異丙醇清洗干凈，然后將硅片在三甲基氯硅烷(例如Sigma Aldrich公司制作的)的氣氛環(huán)境中進行表面硅烷化的處理，從而形成所需的圖形化的硅模板，供制作居間薄膜待用。
[0046]接下來，說明如何制作具有微納凹凸結(jié)構(gòu)表面的居間薄膜。這里以選用聚二甲基硅氧烷(以下簡稱PDMS)材質(zhì)制作居間薄膜為例，首先將PDMS前軀體和固化劑(例如Sylgard 184，Tow Corning)以10:1的質(zhì)量比混合形成混合物,然后將所述混合物涂覆于例如圖2a所示的制作好的圖形化的硅模板表面，如圖2b所示，經(jīng)過真空脫氣過程后，采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方式去掉涂覆于硅模板表面上的多余的混合物，以使所涂覆的混合物在硅模板表面上形成一層均勻的薄薄的PDMS液體膜。之后，將涂覆有PDMS液體膜的整個硅模板在85攝氏度的環(huán)境中固化I小時，這時一層均勻的具有特定微凹凸結(jié)構(gòu)陣列的PDMS薄膜(由PDMS液體膜固化而成)就能從硅模板上剝離下來，從而形成本發(fā)明的居間薄膜，即:具有特定形狀的微納凹凸結(jié)構(gòu)陣列的PDMS薄膜。
[0047]圖2c_2e分別示出了利用上述方法制作出的三種不同形狀的微納凹凸結(jié)構(gòu)陣列的PDMS薄膜的硅模板以及所制作出的相應(yīng)的PDMS薄膜的分解示意圖，其中圖2c示出了具有條紋狀的微納凹凸結(jié)構(gòu)陣列的PDMS薄膜、圖2d示出了具有立方體型的微納凹凸結(jié)構(gòu)陣列的PDMS薄膜和圖2e示出了具有四棱錐型的微納凹凸結(jié)構(gòu)陣列的PDMS薄膜。這三種形狀的微納凹凸結(jié)構(gòu)的表面顯微結(jié)構(gòu)圖如圖3a-3c所示，每個PDMS薄膜的陣列單元（即圖中的凸起)大小被限制為約ΙΟμπι。具有更小尺度單元的圖形陣列同樣能夠被制備出來，其尺度可以小到5 μ m,而且具有同樣的高質(zhì)量特征。圖3a-3c示出了微納凹凸結(jié)構(gòu)的陣列單元，圖中與黑色粗線(位于100 μ m下）同樣大小的長度即表示實物100 μ m的長度。另外，每個圖的右上方還示出了 45°傾斜角度拍攝的居間薄膜的微納凹凸結(jié)構(gòu)的高放大率的SHM照片，圖中與黑色粗線(位于5 μ m下）同樣大小的長度即表示實物5 μ m的長度。由高分辨率的SEM照片看出，居間薄膜的微納凹凸陣列結(jié)構(gòu)都非常均勻和規(guī)則。由此可知，通過本發(fā)明的上述方法可以制備大尺度均勻的塑性微結(jié)構(gòu)。另外，對于具有四棱錐型的微納凹凸結(jié)構(gòu)陣列的居間薄膜，由圖3c所示可知，每個四棱錐單元都有一個完整的四棱錐的幾何結(jié)構(gòu)的銳利尖端，這將有利于其在發(fā)電過程中增加摩擦面積和提高納米發(fā)電機的電能輸出效率。此夕卜，制備好的PDMS薄膜（即居間薄膜）具有很好的伸縮性和透明性。
[0048]2)通過蒸鍍法將第一電極12鍍在第一高分子聚合物絕緣層11的第一側(cè)表面Ila上，通過蒸鍍法將第二電極14鍍在第二高分子聚合物絕緣層13的第一側(cè)表面13a上。
[0049]步驟I)和步驟2)可以同時執(zhí)行，步驟2)也可以在步驟I)之前執(zhí)行。
[0050]3)將居間薄膜15未設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面固定在第二高分子聚合物絕緣層13的第二側(cè)表面13b上，固定的方法是采用一層薄的未固化的聚合物絕緣層作為粘結(jié)層，經(jīng)過固化后，居間薄膜15就牢牢的固定在第二高分子聚合物絕緣層13上。然后，將第一高分子聚合物絕緣層11的第二側(cè)表面13b覆蓋在居間薄膜15設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面上并通過外側(cè)邊緣固定連接。這樣，形成一個類似三明治結(jié)構(gòu)的器件，器件的頂部和底部都有電極。
[0051]4)在制備好的摩擦發(fā)電機的第一電極12上制備一層磁性材料層16。
[0052]作為一種實施方式，可以直接在第一電極12上鍍磁性材料,形成磁性材料層16。該磁性材料可以為鐵、鈷或鎳，或者可以為鐵、鈷或鎳的氧化物。
[0053]作為另一種實施方式，磁性材料層16為具有磁性粒子的高分子聚合物絕緣層。以高分子聚合物絕緣層為PDMS薄膜為例，將合成得到或直接購買到的磁性粒子表面改性后，溶于含有PDMS單體和交聯(lián)劑的混合溶液中，采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方式將該混合溶液涂覆在第一電極12上形成一層具有磁性的高聚物膜，然后烘干即可。其中，磁性粒子具體為鐵、鈷或鎳粒子，或者具體為鐵、鈷或鎳的氧化物粒子。進一步的，該磁性粒子為納米級的，即為磁性納米粒子。
[0054]作為又一種實施方式，磁性材料層16具體為鍍有磁性材料的高分子聚合物絕緣層。以高分子聚合物絕緣層為PDMS薄膜為例，首先采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方式將含有PDMS單體和交聯(lián)劑的混合溶液涂覆在第一電極12上，然后烘干形成一層PDMS薄膜；采用蒸鍍法或真空濺射法在該層PDMS薄膜上鍍磁性材料。該磁性材料具體為鐵、鈷或鎳，或者具體為鐵、鈷或鎳的氧化物。該實施方式是本發(fā)明的優(yōu)選方式，由于高分子聚合物絕緣層可以將磁性材料與電極隔開，能避免磁性材料對感應(yīng)電荷產(chǎn)生影響。
[0055]由此磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機制備完成。本實施例在制備好摩擦發(fā)電機的基礎(chǔ)上增加了一層磁性材料層16，該磁性材料層16具有磁性物質(zhì)，如磁性粒子或磁性材料。[0056]作為一個優(yōu)選實施例，由于第一高分子聚合物絕緣層11和第二高分子聚合物絕緣層13都是與居間薄膜15直接接觸的，只要保證第一高分子聚合物絕緣層11和第二高分子聚合物絕緣層13兩者均與居間薄膜15的材質(zhì)不同即可。
[0057]具體地，第一高分子聚合物絕緣層11、第二高分子聚合物絕緣層13和構(gòu)成磁性材料層16的高分子聚合物絕緣層分別選自聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纖維再生海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸鹽薄膜，聚偏氟乙烯中的任意一種。居間薄膜15選自其中與第一高分子聚合物絕緣層11和第二高分子聚合物絕緣層13不同的另外一種。
[0058]上述實施例中的第一電極12和第二電極14均為金屬薄膜,金屬薄膜可以選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、烙、硒或其合金中的任意一種。
[0059]優(yōu)選地，第一高分子聚合物絕緣層11和第二高分子聚合物絕緣層13的厚度為ΙΟΟμ---δΟΟμπι;居間薄膜15的厚度為50 μ m-100 μ m;微納凹凸結(jié)構(gòu)的凸起高度小于或等于 10 μ m。
[0060]上述第一高分子聚合物絕緣層11、第一電極12、第二高分子聚合物絕緣層13、第二電極14、居間薄膜15、磁性材料層16均為柔性平板結(jié)構(gòu)，它們通過彎曲或變形造成摩擦起電。
[0061]下面結(jié)合圖4介紹磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的發(fā)電原理。圖4為在外界磁場的驅(qū)動下納米摩擦發(fā)電機發(fā)生彎曲時的截面示意圖。
[0062]如圖4所示，在外界環(huán)境中磁鐵產(chǎn)生磁場，在該磁場的作用下，納米摩擦發(fā)電機中的磁性材料層16發(fā)生形變，從而帶動納米摩擦發(fā)電機整體發(fā)生彎曲。當納米摩擦發(fā)電機的各層發(fā)生彎曲時，居間薄膜15具有微納凹凸結(jié)構(gòu)的表面與第一高分子聚合物絕緣層11表面相互摩擦產(chǎn)生靜電荷，由于整個納米摩擦發(fā)電機的內(nèi)部第一電極12與居間薄膜15之間的第一高分子聚合物絕緣層11以及第二電極14與居間薄膜15之間的第二高分子聚合物絕緣層13都是絕緣結(jié)構(gòu)，該絕緣結(jié)構(gòu)可以防止自由電子在摩擦電發(fā)電機部分內(nèi)部中和。靜電荷的產(chǎn)生會使第一電極12和第二電極14之間的電容發(fā)生改變,從而導(dǎo)致第一電極12和第二電極14之間出現(xiàn)電勢差。由于第一電極12和第二電極14之間的電勢差的存在，自由電子將通過外電路由電勢低的一側(cè)電極即第一電極12流向電勢高的一側(cè)電極即第二電極14，從而在外電路中形成電流。這里外電路是指第一電極12和第二電極14之間連通的電路。在第一電極12和第二電極14外接電流表的情況下，電流表會有電流流過。當納米摩擦發(fā)電機的各層恢復(fù)到原來狀態(tài)時，各層恢復(fù)到其原來的平板狀態(tài)，這時形成在第一電極12和第二電極14之間的內(nèi)電勢消失，此時已平衡的第一電極12和第二電極14之間將再次產(chǎn)生反向的電勢差，則自由電子通過外電路從第二電極14回到原來的一側(cè)電極即第一電極12，從而在外電路中形成反向電流。這就是磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的發(fā)電原理。[0063]本實施例提供的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，無需外部的作用力直接作用于發(fā)電機器件本身，而是通過在第一電極上制備磁性材料層，借用磁場和磁力使磁性材料層發(fā)生形變，從而帶動納米摩擦發(fā)電機整體發(fā)生彎曲，這種彎曲又會導(dǎo)致納米摩擦發(fā)電機的內(nèi)部摩擦界面發(fā)生相對運動，進而產(chǎn)生電能。
[0064]圖5為本發(fā)明提供的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的實施例二的截面示意圖。如圖5所示，本實施例與上述實施例一的區(qū)別在于，磁性材料層21位于第二電極22上。除此之外，其他結(jié)構(gòu)均與實施例一相同，在此不再贅述。
[0065]圖6為本發(fā)明提供的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的實施例三的截面示意圖。如圖6所示，該磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機包括:第一高分子聚合物絕緣層31、第一電極32、第二高分子聚合物絕緣層33、第二電極34以及居間薄膜35。具體地，第一電極32位于第一高分子聚合物絕緣層31的第一側(cè)表面31a上，第二電極34位于第二高分子聚合物絕緣層33的第一側(cè)表面33a上。居間薄膜35也是一高分子聚合物絕緣層，它位于第一高分子聚合物絕緣層31和第二高分子聚合物絕緣層33之間。居間薄膜35的一側(cè)表面具有四棱錐型的微納凹凸結(jié)構(gòu)。但居間薄膜35的微納凹凸結(jié)構(gòu)并不僅限于四棱錐型，還可以制作成其它形狀，可以為條紋狀、立方體型或圓柱形等等。居間薄膜35的微納凹凸結(jié)構(gòu)通常為有規(guī)律的納米級至微米級的凹凸結(jié)構(gòu)。居間薄膜35的未設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面固定在第二高分子聚合物絕緣層33的第二側(cè)表面33b上，居間薄膜35設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面與第一高分子聚合物絕緣層31的第二側(cè)表面31b正對貼合并通過外側(cè)邊緣固定連接，兩者之間形成一個摩擦界面。第一高分子聚合物絕緣層31具有磁性物質(zhì)，它既是本實施例的摩擦層，也是磁性層。第一電極32和第二電極34是磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的輸出電極，第一電極和32第二電極34可以外接電流表或電壓表，形成外電路。
[0066]本實施例提供的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電的制造方法包括如下步驟:
[0067]I)首先制備居間薄膜35。本實施例居間薄膜的制作方法與上述實施例一的制作方法相同，在此不再贅述。
[0068]2)獲取含有磁性粒子的第一高分子聚合物絕緣層31。具體地，將合成得到或直接購買到的磁性粒子表面改性后，溶于含有聚乙烯溶液和交聯(lián)劑的混合溶液中，采用旋轉(zhuǎn)涂覆的方式形成一層具有磁性的高聚物膜，然后烘干即可。其中，磁性粒子具體為鐵、鈷或鎳粒子，或者具體為鐵、鈷或鎳的氧化物粒子。進一步的，磁性粒子可以為納米級，即磁性粒子為磁性納米粒子。
[0069]3)然后，通過蒸鍍法將第一電極32鍍在含有磁性粒子的第一高分子聚合物絕緣層31的第一側(cè)表面31a上，通過蒸鍍法將第二電極34鍍在第二高分子聚合物絕緣層33的第一側(cè)表面33a上。
[0070]4)將居間薄膜35未設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面固定在第二高分子聚合物絕緣層33的第二側(cè)表面33b上，固定的方法是采用一層薄的未固化的聚合物絕緣層作為粘結(jié)層，經(jīng)過固化后，居間薄膜35就牢牢的固定在第二高分子聚合物絕緣層33上。然后，將第一高分子聚合物絕緣層31的第二側(cè)表面31b覆蓋在居間薄膜35設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面上并通過外側(cè)邊緣固定連接。這樣，形成一個類似三明治結(jié)構(gòu)的器件，器件的頂部和底部都有電極。
[0071]由此磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機制備完成。本實施例在制備摩擦發(fā)電機時所采用的第一高分子聚合物絕緣層31具有磁性物質(zhì)，該磁性物質(zhì)具體為磁性粒子。
[0072]作為一個優(yōu)選實施例，由于第一高分子聚合物絕緣層31和第二高分子聚合物絕緣層33都是與居間薄膜35直接接觸的，只要保證第一高分子聚合物絕緣層31和第二高分子聚合物絕緣層33兩者均與居間薄膜35的材質(zhì)不同即可。
[0073]具體地，第一高分子聚合物絕緣層31和第二高分子聚合物絕緣層33分別選自聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亞胺薄膜、苯胺甲醛樹脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纖維素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纖維素薄膜、纖維素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚鄰苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纖維再生海綿薄膜、聚氨酯彈性體薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纖維薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚異丁烯薄膜、聚氨酯柔性海綿薄膜、聚對苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇縮丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡膠薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡膠薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜、聚乙烯丙二酚碳酸鹽薄膜，聚偏氟乙烯中的任意一種。居間薄膜35選自其中與第一高分子聚合物絕緣層31和第二高分子聚合物絕緣層33不同的另外一種。
[0074]上述實施例中的第一電極32和第二電極34均為金屬薄膜,金屬薄膜可以選自金、銀、鉬、鋁、鎳、銅、鈦、烙、硒或其合金中的任意一種。
[0075]優(yōu)選地，第一高分子聚合物絕緣層31和第二高分子聚合物絕緣層33的厚度為100 μ m-500 μ m ;居間薄膜35的厚度為50 μ m-100 μ m ;微納凹凸結(jié)構(gòu)的凸起高度小于或等于 10 μ m。
[0076]上述第一高分子聚合物絕緣層31、第一電極32、第二高分子聚合物絕緣層33、第二電極34、居間薄膜35均為柔性平板結(jié)構(gòu)，它們通過彎曲或變形造成摩擦起電。
[0077]本實施例提供的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的發(fā)電原理與實施例一提供的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的發(fā)電原理類似，區(qū)別在于，在外界環(huán)境產(chǎn)生的磁場的作用下，納米摩擦發(fā)電機中的第一高分子聚合物絕緣層發(fā)生形變，從而帶動納米摩擦發(fā)電機整體發(fā)生彎曲，這種彎曲又會導(dǎo)致納米摩擦發(fā)電機的內(nèi)部摩擦界面發(fā)生相對運動，進而產(chǎn)生電能。
[0078]本發(fā)明還提供了磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的實施例四，該實施例與上述實施例三的區(qū)別在于，第二高分子聚合物絕緣層中含有磁性粒子。除此之外，其他結(jié)構(gòu)均與實施例三相同，在此不再贅述。
[0079]最后，需要注意的是：以上列舉的僅是本發(fā)明的具體實施例子，當然本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對本發(fā)明進行改動和變型，倘若這些修改和變型屬于本發(fā)明權(quán)利要求及其等同技術(shù)的范圍之內(nèi)，均應(yīng)認為是本發(fā)明的保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，包括： 第一高分子聚合物絕緣層； 第一電極，位于所述第一高分子聚合物絕緣層的第一側(cè)表面上； 第二高分子聚合物絕緣層； 第二電極，位于所述第二高分子聚合物絕緣層的第一側(cè)表面上； 居間薄膜，其一側(cè)表面設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)，所述居間薄膜設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面與所述第一高分子聚合物絕緣層的第二側(cè)表面貼合，所述居間薄膜未設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面固定在所述第二高分子聚合物絕緣層的第二側(cè)表面上； 磁性材料層，位于所述第一電極或第二電極上； 所述第一電極和第二電極是所述磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的輸出電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述磁性材料層所采用的材料具體為鐵、鈷或鎳，或者具體為鐵、鈷或鎳的氧化物。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述磁性材料層為具有磁性粒子的高分子聚合物絕緣層。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述磁性粒子具體為鐵、鈷或鎳粒子，或者具體為鐵、鈷或鎳的氧化物粒子。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述磁性粒子為磁性納米粒子。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述磁性材料層為鍍有磁性材料的高分子聚合物絕緣層。
7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述磁性材料具體為鐵、鈷或鎳，或者具體為鐵、鈷或鎳的氧化物。
8.—種磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，包括： 第一高分子聚合物絕緣層； 第一電極，位于所述第一高分子聚合物絕緣層的第一側(cè)表面上； 第二高分子聚合物絕緣層； 第二電極，位于所述第二高分子聚合物絕緣層的第一側(cè)表面上； 居間薄膜，其一側(cè)表面設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)，所述居間薄膜設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面與所述第一高分子聚合物絕緣層的第二側(cè)表面貼合，所述居間薄膜未設(shè)有微納凹凸結(jié)構(gòu)的一側(cè)表面固定在所述第二高分子聚合物絕緣層的第二側(cè)表面上； 所述第一高分子聚合物絕緣層或所述第二高分子聚合物絕緣層具有磁性物質(zhì)； 所述第一電極和第二電極是所述磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機的輸出電極。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一高分子聚合物絕緣層或所述第二高分子聚合物絕緣層中具有磁性粒子。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述磁性粒子具體為鐵、鈷或鎳粒子，或者具體為鐵、鈷或鎳的氧化物粒子。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的磁場驅(qū)動的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述磁性粒子為磁性納米粒子。
【文檔編號】H02N1/04GK103532425SQ201210231791
【公開日】2014年1月22日 申請日期:2012年7月5日 優(yōu)先權(quán)日:2012年7月5日
【發(fā)明者】范鳳茹 申請人:納米新能源（唐山）有限責任公司