本發(fā)明屬于摩擦電納米發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種新型的柔性可拉伸的摩擦發(fā)電機(jī)及其制備方法。

背景技術(shù)：

從生活環(huán)境中采集能量，被廣泛視為實(shí)現(xiàn)綠色能源和能源可持續(xù)發(fā)展的有效方法，將有望在無線傳輸系統(tǒng)、植入式醫(yī)療器件、乃至消費(fèi)類電子產(chǎn)品中發(fā)揮重要作用。隨著物聯(lián)網(wǎng)的發(fā)展，人體貼合器件的研究愈發(fā)受到重視，如何實(shí)現(xiàn)人體大形變情況下的能量收集及利用給研究帶來了新的思考。基于摩擦起電與靜電感應(yīng)原理，采用柔性電極，通過簡單的低成本的方法制備的微型摩擦發(fā)電機(jī)可完成對周圍環(huán)境機(jī)械能的高效率采集，也可以實(shí)現(xiàn)人體移動(dòng)實(shí)時(shí)感應(yīng)。

摩擦發(fā)電機(jī)是利用兩種具有不同摩擦電特性的材料之間的相互接觸和分離來進(jìn)行發(fā)電的。現(xiàn)有的摩擦發(fā)電機(jī)在拉伸情況下的電壓輸出能力及性能穩(wěn)定性較差，限制了摩擦發(fā)電機(jī)在柔性領(lǐng)域的實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種柔性可拉伸的摩擦發(fā)電機(jī)及其制備方法。本發(fā)明中可拉伸電極有效解決了摩擦發(fā)電機(jī)更高程度柔性化的問題；通過在聚合物中添加陶瓷介電粉體，提高了摩擦介電層材料的介電常數(shù)，實(shí)現(xiàn)了高的表面電荷密度，進(jìn)而提高了能量轉(zhuǎn)換效率；通過合理設(shè)計(jì)外電路，可有效采集人體在復(fù)雜運(yùn)動(dòng)環(huán)境下的機(jī)械能，將其轉(zhuǎn)換為電能并且儲存或?qū)ν夤╇?；該摩擦發(fā)電機(jī)具有高的輸出電壓和良好的可拉伸性能，并且在多次拉伸后性能穩(wěn)定。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種柔性可拉伸的摩擦發(fā)電機(jī)，包括柔性電極A和柔性電極B，所述柔性電極A和柔性電極B為柔性可拉伸絕緣材料與納米導(dǎo)電顆粒形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述柔性電極A和柔性電極B接觸或不接觸設(shè)置，當(dāng)有外力作用在所述柔性電極A和/或柔性電極B上時(shí)，其中帶納米導(dǎo)電顆粒的至少部分表面在外力的作用下能夠發(fā)生接觸和分離，使柔性電極A和柔性電極B之間產(chǎn)生電信號。

進(jìn)一步地，所述柔性電極A與柔性電極B可相同也可不同。

進(jìn)一步地，所述摩擦發(fā)電機(jī)還包括摩擦層或摩擦介電層，所述摩擦層或摩擦介電層形成于柔性電極A或柔性電極B表面，所述摩擦層為可拉伸聚合物，摩擦介電層為可拉伸聚合物與介電粉體混合得到。

進(jìn)一步地，所述柔性可拉伸絕緣材料為聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)或聚酰亞胺(polymide，PI)等。

進(jìn)一步地，所述可拉伸聚合物為Ecoflex等。

進(jìn)一步地，所述納米導(dǎo)電顆粒為多壁碳納米管(MWCNT)、單壁碳納米管(SWCNT)、石墨烯(GP)、納米銀顆粒(AgNPs)、納米金顆粒(AuNPs)或上述兩種以上的混合物等。

進(jìn)一步地，所述介電粉體為鋯鈦酸鉛(PZT)、氧化鋅(ZnO)或鈦酸鍶鋇(BST)等。

進(jìn)一步地，所述柔性電極A或柔性電極B的厚度為0.5mm～2.5mm，面積可根據(jù)具體應(yīng)用需求調(diào)整。

進(jìn)一步地，所述摩擦層或摩擦介電層的厚度為200μm～800μm，其面積與柔性電極A和柔性電極B的面積相等。

進(jìn)一步地，所述摩擦介電層中介電粉體與可拉伸聚合物的含量為：介電粉體10～30wt％，可拉伸聚合物70～90wt％。

進(jìn)一步地，所述柔性電極A和柔性電極B通過以下步驟制備得到；

步驟1：納米導(dǎo)電顆粒分散液的制備：將納米導(dǎo)電顆粒加入去離子水中，并加入分散劑優(yōu)化分散過程，超聲均勻后進(jìn)行離心處理，得到濃度為0.5～4g/L的納米導(dǎo)電顆粒分散液；

步驟2：將清洗干凈的聚合物培養(yǎng)皿放置于60～80℃熱源上，預(yù)熱后，采用噴涂設(shè)備在培養(yǎng)皿內(nèi)噴涂步驟1制備得到的納米導(dǎo)電顆粒分散液，噴涂時(shí)間1s，間隔10s，噴涂次數(shù)30～50次；

步驟3：待水分完全蒸發(fā)后，將可拉伸絕緣材料預(yù)聚物倒入培養(yǎng)皿內(nèi)進(jìn)行常溫固化，固化完成后，將帶納米導(dǎo)電顆粒的可拉伸絕緣材料從培養(yǎng)皿內(nèi)剝離，并切割，形成柔性電極A和柔性電極B。

進(jìn)一步地，所述摩擦介電層通過以下步驟制備得到：將介電粉體和可拉伸聚合物組分A機(jī)械混合，攪拌混合均勻，然后加入可拉伸聚合物組分B，混合均勻，得到摩擦介電層預(yù)聚物；采用旋涂法在柔性電極A或柔性電極B帶納米導(dǎo)電顆粒的一面旋涂上述摩擦介電層預(yù)聚物，即可得到摩擦介電層。

進(jìn)一步地，所述柔性電極A和柔性電極B分別與外部導(dǎo)線連接，當(dāng)有外力作用在柔性電極A和/或柔性電極B上時(shí)，柔性電極帶納米導(dǎo)電顆粒一面的至少部分表面、或者柔性電極帶納米導(dǎo)電顆粒一面與摩擦介電層的至少部分表面在外力的作用下能夠發(fā)生接觸和分離，使得柔性電極A和柔性電極B之間產(chǎn)生電信號，通過導(dǎo)線輸出電信號。

本發(fā)明還提供了上述柔性可拉伸的摩擦發(fā)電機(jī)的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：納米導(dǎo)電顆粒分散液的制備：將納米導(dǎo)電顆粒加入去離子水中，并加入分散劑優(yōu)化分散過程，超聲均勻后進(jìn)行離心處理，得到濃度為0.5～4g/L的納米導(dǎo)電顆粒分散液；

步驟2：將清洗干凈的聚合物培養(yǎng)皿放置于60～80℃熱源上，預(yù)熱后，采用噴涂設(shè)備在培養(yǎng)皿內(nèi)噴涂步驟1制備得到的納米導(dǎo)電顆粒分散液，噴涂時(shí)間1s，間隔10s，噴涂次數(shù)30～50次；

步驟3：待水分完全蒸發(fā)后，將可拉伸絕緣材料預(yù)聚物倒入培養(yǎng)皿內(nèi)進(jìn)行常溫固化，固化完成后，將帶納米導(dǎo)電顆粒的可拉伸絕緣材料從培養(yǎng)皿內(nèi)剝離，并分割為兩個(gè)同等大小的柔性電極，即為柔性電極A和柔性電極B；

步驟4：將介電粉體和可拉伸聚合物組分A機(jī)械混合，攪拌混合均勻，然后加入可拉伸聚合物組分B，混合均勻，即得到摩擦介電層預(yù)聚物；

步驟5：采用旋涂法在柔性電極B帶納米導(dǎo)電顆粒的一面旋涂步驟4得到的摩擦介電層預(yù)聚物，得到帶摩擦介電層的柔性電極B；

步驟6：將柔性電極A與帶摩擦介電層的柔性電極B組裝形成摩擦發(fā)電機(jī)，其中，柔性電極A帶納米導(dǎo)電顆粒的一面面對摩擦介電層。

進(jìn)一步地，步驟3的過程還可以為：分別在兩個(gè)噴涂有納米導(dǎo)電顆粒的培養(yǎng)皿內(nèi)固化不同的可拉伸絕緣材料預(yù)聚物，得到可拉伸絕緣材料不同的兩個(gè)電極，即為柔性電極A和柔性電極B。

進(jìn)一步地，所述柔性電極A或柔性電極B的厚度為0.5mm～2.5mm，面積可根據(jù)具體應(yīng)用需求調(diào)整。

進(jìn)一步地，所述摩擦介電層的厚度為200μm～800μm，其面積與柔性電極A和柔性電極B的面積相等。

本發(fā)明還提供了上述柔性可拉伸的摩擦發(fā)電機(jī)在鞋底上的應(yīng)用，將柔性電極A和帶摩擦介電層的柔性電極B設(shè)置在鞋底中，所述柔性電極A的導(dǎo)電部分面對摩擦介電層，柔性電極A的導(dǎo)電部分與摩擦介電層接觸或不接觸，通過走路時(shí)對鞋底的擠壓實(shí)現(xiàn)柔性電極A的導(dǎo)電部分與摩擦介電層發(fā)生接觸和分離，使得柔性電極A和柔性電極B之間產(chǎn)生電信號并通過外電路輸出。

本發(fā)明還提供了上述柔性可拉伸的摩擦發(fā)電機(jī)在發(fā)熱衣服上的應(yīng)用，將柔性電極A和帶摩擦介電層的柔性電極B縫制于衣服內(nèi)，所述發(fā)熱衣服按照從外向內(nèi)依次為外層布料、帶摩擦介電層的柔性電極B、柔性電極A和內(nèi)層布料的順序縫制在一起，所述柔性電極A的導(dǎo)電部分面對摩擦介電層，柔性電極A的導(dǎo)電部分與摩擦介電層接觸或不接觸，通過人體日?；顒?dòng)實(shí)現(xiàn)柔性電極A的導(dǎo)電部分與摩擦介電層發(fā)生接觸和分離，使得柔性電極A和柔性電極B之間產(chǎn)生電信號并通過外電路輸出。

本發(fā)明還提供了一種上述柔性可拉伸的摩擦發(fā)電機(jī)的應(yīng)用，將柔性電極A制作為圓環(huán)狀，帶摩擦介電層的柔性電極B制作為圓環(huán)狀，所述柔性電極A套在手臂、手腕、腳腕、腿等部位，帶摩擦介電層的柔性電極B縫制于衣服內(nèi)，所述柔性電極A的導(dǎo)電部分面對摩擦介電層，柔性電極A的導(dǎo)電部分與摩擦介電層接觸或不接觸，通過擺臂或走動(dòng)過程實(shí)現(xiàn)柔性電極A的導(dǎo)電部分與摩擦介電層發(fā)生接觸和分離，使得柔性電極A和柔性電極B之間產(chǎn)生電信號并通過外電路輸出。

本發(fā)明的有益效果為：

1、本發(fā)明提供的柔性可拉伸的摩擦發(fā)電機(jī)中采用可拉伸絕緣材料和納米導(dǎo)電顆粒形成柔性電極，使得納米導(dǎo)電顆粒能在拉伸情況下保持良好的電信號輸出能力，且在多次拉伸后具有穩(wěn)定的電壓輸出，進(jìn)而使得該摩擦發(fā)電機(jī)具有良好的可拉伸性能，為適配人體的可穿戴設(shè)備以及大形變應(yīng)用提供了更多的選擇。

2、本發(fā)明利用兩種柔性材料對電荷束縛能力的差異形成摩擦型發(fā)電機(jī)，并通過在摩擦介電層中混合陶瓷粉體進(jìn)一步提高了束縛能力，有效提高了發(fā)電機(jī)的性能；本發(fā)明摩擦發(fā)電機(jī)與現(xiàn)有柔性微型能量采集器相比，在接觸分離過程中，不同材料接觸面和摩擦介電層的高介電性能能增加接觸面上束縛電荷數(shù)量，使其具有表面電荷密度高、能量轉(zhuǎn)換效率高、輸出能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；本發(fā)明摩擦發(fā)電機(jī)的制備方法簡單，成本低，可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模批量化生產(chǎn)。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例1的柔性可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例2的柔性可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例2的柔性可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)在未拉伸時(shí)的輸出電壓；(尺寸：8mm*20mm)

圖4為本發(fā)明實(shí)施例2的柔性可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)經(jīng)100次拉伸之后的輸出電壓；(尺寸：8mm*20mm)

圖5為本發(fā)明實(shí)施例2的柔性可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)經(jīng)400次拉伸之后的輸出電壓；(尺寸：8mm*20mm)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例，詳述本發(fā)明的技術(shù)方案。

如圖1所示，為本發(fā)明提供的一種柔性可拉伸的摩擦發(fā)電機(jī)，包括柔性電極A和柔性電極B，所述柔性電極A和柔性電極B為柔性可拉伸絕緣材料與納米導(dǎo)電顆粒形成的復(fù)合結(jié)構(gòu)，所述柔性電極A和柔性電極B接觸或不接觸設(shè)置，當(dāng)有外力作用在所述柔性電極A和/或柔性電極B上時(shí)，其中帶納米導(dǎo)電顆粒的至少部分表面在外力的作用下能夠發(fā)生接觸和分離，使得柔性電極A和柔性電極B之間產(chǎn)生電信號。

其中，所述柔性電極A與柔性電極B可相同也可不同。當(dāng)柔性電極A與柔性電極B相同時(shí)，由于電極表面污染的影響，兩摩擦電性相同的材料在接觸過程中，表面會分別帶上不等量的同性電荷，形成電勢差。當(dāng)柔性電極A與柔性電極B不同時(shí)，兩摩擦電性不同的材料在接觸過程中，表面會分別帶上極性相反的電荷，從而形成電勢差。

進(jìn)一步地，所述摩擦發(fā)電機(jī)還包括摩擦層，所述摩擦層形成于柔性電極A或柔性電極B表面，由于柔性電極與摩擦層的摩擦電性不同，在接觸過程中表面會分別帶上極性相反的電荷，形成電勢差。

進(jìn)一步地，所述摩擦發(fā)電機(jī)還包括摩擦介電層，所述摩擦介電層形成于柔性電極A或柔性電極B表面，由于柔性電極與摩擦介電層不同的摩擦電性和摩擦介電層的高介電性能，在接觸過程中會使表面分別帶上更多的異種電荷，形成電勢差。

進(jìn)一步地，上述材料的摩擦電性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電子能力，即兩種材料接觸時(shí)一個(gè)帶正電，一個(gè)帶負(fù)電。

實(shí)施例1

如圖1所示，為本發(fā)明提供的一種柔性可拉伸的摩擦發(fā)電機(jī)，包括柔性電極A和柔性電極B，具體制備過程為：

步驟1：將0.25g高純多壁碳納米管加入100mL去離子水中，并加入碳納米管分散劑優(yōu)化分散過程，超聲1h后進(jìn)行離心處理，得到濃度約為2g/L的碳納米管分散液；

步驟2：將清洗干凈的聚合物培養(yǎng)皿放置于75℃熱源上，預(yù)熱兩分鐘后，采用噴涂設(shè)備在培養(yǎng)皿內(nèi)噴涂步驟1制備得到的碳納米管分散液，噴涂時(shí)間為1s，間隔10s，噴涂40次后在培養(yǎng)皿內(nèi)形成碳納米管聚集層；

步驟3：將聚二甲基硅氧烷主劑和硬化劑按體積比10:1的比例混合，攪拌60s、抽真空5min后，倒入步驟2帶碳納米管聚集層的培養(yǎng)皿內(nèi)，在常溫下固化24h后，將帶碳納米管的聚二甲基硅氧烷從培養(yǎng)皿內(nèi)剝離，并切割為兩個(gè)同等大小的8mm×20mm的柔性電極，即為柔性電極A和柔性電極B；

步驟4：將柔性電極A與柔性電極B組裝形成摩擦發(fā)電機(jī)，用于鞋底或者發(fā)熱衣服中，其中，柔性電極A帶納米導(dǎo)電顆粒的一面面對柔性電極B帶納米導(dǎo)電顆粒的一面。

實(shí)施例2

如圖2所示，為本發(fā)明提供的一種柔性可拉伸的摩擦發(fā)電機(jī)，包括柔性電極A、柔性電極B和形成于柔性電極B之上的摩擦介電層，具體制備過程為：

步驟1：將0.15g高純多壁碳納米管(MWCNT)加入60mL去離子水中，并加入碳納米管分散劑優(yōu)化分散過程，超聲1h后進(jìn)行離心處理，得到濃度約為1.8g/L的碳納米管分散液；

步驟2：將清洗干凈的聚合物培養(yǎng)皿放置于60℃熱源上，預(yù)熱兩分鐘后，采用噴涂設(shè)備在培養(yǎng)皿內(nèi)噴涂步驟1制備得到的碳納米管分散液，噴涂時(shí)間為1s，間隔10s，噴涂40次后在培養(yǎng)皿內(nèi)形成碳納米管聚集層；

步驟3：將聚二甲基硅氧烷主劑和硬化劑按體積比10:1的比例混合，攪拌60s、抽真空5min后，倒入步驟2帶碳納米管聚集層的培養(yǎng)皿內(nèi)，在常溫下固化24h后，將帶碳納米管的聚二甲基硅氧烷從培養(yǎng)皿內(nèi)剝離，并切割為兩個(gè)同等大小的8mm×20mm的柔性電極，即為柔性電極A和柔性電極B；

步驟4：將鋯鈦酸鉛(PZT)陶瓷粉體與Ecoflex組分A機(jī)械混合，攪拌混合均勻，然后加入Ecoflex組分B，混合均勻，即得到摩擦介電層預(yù)聚物，其中鋯鈦酸鉛的質(zhì)量分?jǐn)?shù)為15wt％；

步驟5：采用旋涂法在柔性電極B帶納米導(dǎo)電顆粒的一面旋涂步驟4得到的摩擦介電層預(yù)聚物，轉(zhuǎn)速為500rpm，時(shí)間為30s，烘干，得到帶摩擦介電層的柔性電極B；

步驟6：將柔性電極A與帶摩擦介電層的柔性電極B組裝形成摩擦發(fā)電機(jī)，用于鞋底或者發(fā)熱衣服中，其中，柔性電極A帶納米導(dǎo)電顆粒的一面面對摩擦介電層。

圖3、圖4、圖5分別為實(shí)施例2的8mm*20mm柔性可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)在未拉伸時(shí)、拉伸100次后以及拉伸400次后的輸出電壓，由圖3、圖4、圖5可知，實(shí)施例2的柔性可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)在經(jīng)過100次和400次拉伸后，其輸出電壓的峰值均沒有明顯降低，表明本發(fā)明提供的可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)具有穩(wěn)定的輸出能力和良好的拉伸疲勞性。