本發(fā)明涉及微能源領(lǐng)域，尤其涉及一種可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)和制備方法。

背景技術(shù)：

采集周圍環(huán)境中各種形式的機(jī)械能,然后轉(zhuǎn)化為電能輸出,成為微能源領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。人體本身由于肢體運(yùn)動(dòng)，每天產(chǎn)生十分可觀的機(jī)械能，將其轉(zhuǎn)化為電能為小型可穿戴電子設(shè)備供電，成為緩解能源危機(jī)和電池壽命有限等問題的重要途徑。

基于摩擦起電和靜電感應(yīng)原理的摩擦發(fā)電機(jī)具有輸出高、成本低、加工制造簡單、材料選擇和器件結(jié)構(gòu)多樣化、能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)，在收集人體運(yùn)動(dòng)能量方面展現(xiàn)了突出的優(yōu)勢并受到研究者的廣泛關(guān)注。

目前，摩擦發(fā)電機(jī)的電極材料多為金屬或?qū)щ姛o機(jī)氧化物等硬質(zhì)材料，難以滿足可穿戴設(shè)備對柔性和可拉伸性的要求，一些通過在現(xiàn)有織物上添加導(dǎo)電材料作為電極的摩擦發(fā)電機(jī)，雖然可與現(xiàn)有衣服集成，但其單電極的工作模式使器件能量轉(zhuǎn)化效率低，并且編織結(jié)構(gòu)和不可拉伸的特點(diǎn)，使其必須貼附到衣服上才能正常工作，限制了器件在采集人體多種運(yùn)動(dòng)形式能量上的應(yīng)用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)和制備方法,能基于摩擦起電原理收集人體運(yùn)動(dòng)能，制造工藝方便，容易實(shí)現(xiàn)。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采取了如下技術(shù)方案。

一種可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)，包括：

可拉伸襯底、第一可拉伸電極、第二可拉伸電極、由第一可拉伸摩擦材料組成的正極性摩擦層、由第二可拉伸摩擦材料組成的負(fù)極性摩擦層；

其中，所述第一可拉伸電極和所述第二可拉伸電極間隔設(shè)置在所述可拉伸襯底上面，所述正極性摩擦層位于所述第一可拉伸電極之上；所述負(fù)極性摩擦層位于所述第二可拉伸電極之上。

一種可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)的制備方法，包括：

步驟1，分別制備第一可拉伸電極和第二可拉伸電極；

步驟2，制備可拉伸襯底；

步驟3，將所述第一可拉伸電極和所述第二可拉伸電極間隔設(shè)置在所述可拉伸襯底的上表面；

步驟4，在所述第一可拉伸電極的上表面涂覆一層失去電子后帶正電的具有拉伸性的材料，制備成由第一可拉伸摩擦材料組成的正極性摩擦層；

步驟5，在所述第二可拉伸電極的上表面涂覆一層得到電子后帶負(fù)電的具有拉伸性的絕緣材料，并固化，制備成由第二可拉伸摩擦材料組成的負(fù)極性摩擦層；

由上述本發(fā)明的實(shí)施例提供的技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明的結(jié)構(gòu)簡單，制造工藝方便，容易實(shí)現(xiàn)。

本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點(diǎn)將在下面的描述中部分給出，這些將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實(shí)踐了解到。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案，下面將對實(shí)施例描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對于本領(lǐng)域普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)性的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明所述的可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)的一實(shí)施例的主視圖；

圖2為本發(fā)明所述的可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)的另一實(shí)施例的主視圖；

圖3為本發(fā)明所述的可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)的另一實(shí)施例的俯視圖；

圖4為本發(fā)明所述的可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)的制備方法的流程示意圖；

圖5為本發(fā)明所述的可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)的應(yīng)力應(yīng)變曲線；

圖6(a)為該可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)的輸出電壓波形。

圖6(b)為該可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)為電容充電曲線。

具體實(shí)施方式

下面詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施方式，所述實(shí)施方式的示例在附圖中示出，其中自始至終相同或類似的標(biāo)號表示相同或類似的元件或具有相同或類似功能的元件。下面通過參考附圖描述的實(shí)施方式是示例性的，僅用于解釋本發(fā)明，而不能解釋為對本發(fā)明的限制。

如圖1所示，為本發(fā)明的一種可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)，包括：

可拉伸襯底1、第一可拉伸電極21、第二可拉伸電極22、由第一可拉伸摩擦材料組成的正極性摩擦層31、由第二可拉伸摩擦材料組成的負(fù)極性摩擦層32；

其中，所述第一可拉伸電極21和所述第二可拉伸電極22間隔設(shè)置在所述可拉伸襯底1上面，所述正極性摩擦層31位于所述第一可拉伸電極21之上；所述負(fù)極性摩擦層位32于所述第二可拉伸電極22之上。

如圖2和圖3所示，所述第一可拉伸電極21包括：第一可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)211、第一電極導(dǎo)電材料層212；

所述第一可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)211位于所述可拉伸襯底1的上表面；

所述第一電極導(dǎo)電材料層212附著于所述可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)211的上表面,所述可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)211作為第一電極導(dǎo)電材料層的導(dǎo)電材料的附著支撐結(jié)構(gòu)。

所述第二可拉伸電極22包括：第二可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)221、第二電極導(dǎo)電材料層222；

所述第二可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)221位于可拉伸襯底1的上表面；

所述第二電極導(dǎo)電材料層222附著于所述第二可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)221的上表面。所述第二可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)221用于作為第二電極導(dǎo)電材料層222的導(dǎo)電材料提供吸附和支撐結(jié)構(gòu)。

所述可拉伸襯底1為由具有拉伸性的薄膜絕緣材料組成；

所述第一可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)21為由具有三維孔隙結(jié)構(gòu)的可拉伸絕緣材料組成；其中，三維孔隙結(jié)構(gòu)指材料內(nèi)部具有密集的孔洞或者縫隙的結(jié)構(gòu)，可使溶液由材料表面滲透到材料內(nèi)部。

所述第二可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)22為由具有三維孔隙結(jié)構(gòu)的可拉伸絕緣材料組成；

所述第一電極導(dǎo)電材料層31和所述第二電極導(dǎo)電材料層32為由納米導(dǎo)電材料或?qū)щ娋酆衔锝M成；

所述第一可拉伸摩擦材料為具有拉伸性的、失去電子后帶正電的納米材料；

第二可拉伸摩擦材料為具有拉伸性的、得到電子后帶負(fù)電的絕緣材料。

所述可拉伸襯底為由具有拉伸性的薄膜絕緣材料組成具體為：所述可拉伸襯底為由聚二甲基硅氧烷、硅橡膠、聚乙烯醇(PVA)、或共聚酯材料組成；

所述第一可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)為由具有三維孔隙結(jié)構(gòu)的可拉伸絕緣材料組成具體為，所述第一可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)由多層紡絲結(jié)構(gòu)的聚氨酯材料、多層紡絲結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇、或多孔聚二甲基硅氧烷組成；

所述第一電極導(dǎo)電材料層和所述第二電極導(dǎo)電材料層為由納米導(dǎo)電材料或?qū)щ娋酆衔锝M成具體為：所述第一電極導(dǎo)電材料層和所述第二電極導(dǎo)電材料層為由銀納米線AgNW、碳納米管CNT、氧化石墨烯rGO、聚苯胺PANI、聚吡咯PPy、或聚乙烯二氧噻吩PEDOT組成；

所述第一可拉伸摩擦材料為銀納米線、碳納米管、或氧化石墨烯；

第二可拉伸摩擦材料為聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇、或硅橡膠。

如圖4所示，為本發(fā)明的一種可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)的制備方法，包括：

步驟41，分別制備第一可拉伸電極和第二可拉伸電極；

步驟42，制備可拉伸襯底；

步驟43，將所述第一可拉伸電極和所述第二可拉伸電極間隔設(shè)置在所述可拉伸襯底的上表面；

步驟34，在所述第一可拉伸電極的上表面涂覆一層失去電子后帶正電的具有拉伸性的材料，制備成由第一可拉伸摩擦材料組成的正極性摩擦層；

步驟45，在所述第二可拉伸電極的上表面涂覆一層得到電子后帶負(fù)電的具有拉伸性的絕緣材料，并固化，制備成由第二可拉伸摩擦材料組成的負(fù)極性摩擦層；

所述制備第一可拉伸電極的步驟包括：

步驟411，通過靜電紡絲的方法，將可拉伸絕緣材料薄膜加工為三維孔隙結(jié)構(gòu)，制成第一可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)；

步驟412，采用滴蘸的方式，將納米導(dǎo)電材料或?qū)щ娋酆衔锏娜芤禾砑拥降谝豢衫祀姌O支撐結(jié)構(gòu)的上表面，并通過熱板烘烤將溶劑蒸發(fā)，留下所述納米導(dǎo)電材料或?qū)щ娋酆衔?，制備成第一電極導(dǎo)電材料層；

步驟413，重復(fù)步驟412，直至所述第一可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)的方阻降為預(yù)定值，從而制備成第一可拉伸電極。

所述步驟42包括：

將具有拉伸性的薄膜絕緣材料和交聯(lián)劑混合成為混合粘液，靜置預(yù)定時(shí)間以去除混合粘液中的氣泡；

在玻璃表面旋涂一層所述混合粘液，制備成可拉伸襯底。光滑表面例如為玻璃。玻璃提供一個(gè)平面，其他任何平整表面也都可以，用以將溶液鋪開制成薄膜，并不作為器件的一部分。

以下描述本發(fā)明的應(yīng)用場景。

本發(fā)明提供一種可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)，可保形、方便的貼附于衣物表面或直接貼在皮膚表面,以采集人體運(yùn)動(dòng)的能量。

一種可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)，包含：

可拉伸襯底、可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)、電極導(dǎo)電材料、正極性摩擦層性可拉伸摩擦材料、正極性摩擦層性可拉伸摩擦材料。

其中，電極導(dǎo)電材料附著于可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)內(nèi)部及表面，附著在電極支撐結(jié)構(gòu)的三維孔隙結(jié)構(gòu)的表面而形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，二者共同構(gòu)成可拉伸電極。

可拉伸電極位于可拉伸襯底表面；正極性摩擦層性可拉伸摩擦材料和負(fù)極性摩擦層性可拉伸摩擦材料分別位于不相連的可拉伸電極表面。

所述可拉伸襯底為由具有拉伸性的薄膜絕緣材料組成，如聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、硅橡膠、聚乙烯醇(PVA)、共聚酯材料等。

所述可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)為由具有三維孔隙結(jié)構(gòu)的可拉伸絕緣材料組成，如多層紡絲結(jié)構(gòu)的聚氨酯材料(TPU)，多層紡絲結(jié)構(gòu)的聚乙烯醇，多孔聚二甲基硅氧烷等。

所述電極導(dǎo)電材料為導(dǎo)電良好的納米導(dǎo)電材料或?qū)щ娋酆衔?，如銀納米線(AgNW)、碳納米管(CNT)、氧化石墨烯(rGO)、聚苯胺(PANI)、聚吡咯(PPy)、聚乙烯二氧噻吩(PEDOT)等。

所述正極性摩擦層性可拉伸摩擦材料為易失電帶正電的納米材料，如銀納米線、碳納米管、氧化石墨烯等。

所述負(fù)極性摩擦層性可拉伸摩擦材料為容易得到電子帶負(fù)電的可拉伸絕緣材料，如聚二甲基硅氧烷、聚乙烯醇、硅橡膠等。

本發(fā)明還提供了一種可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)制備方法，包括以下步驟：

步驟1)通過靜電紡絲工藝，將聚氨酯(TPU)溶液加工成具有三維孔隙結(jié)構(gòu)的紡絲薄膜，作為可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)。

步驟2)采用滴蘸納米材料溶液的方式，使CNT附著到聚氨酯薄膜紡絲結(jié)構(gòu)表面，加熱將溶劑蒸發(fā)，形成具有三維導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)的可拉伸電極；

步驟3)通過旋涂或自流平方法，將聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)溶液覆蓋于硅基片或其他水平表面上，制成PDMS薄膜。

步驟4)將兩塊適當(dāng)尺寸的可拉伸電極貼附在旋涂好的PDMS薄膜表面，加熱將其固化。

步驟5)采用自流平工藝在其中一塊電極表面涂覆一層PDMS薄膜，加熱固化，作為負(fù)極性摩擦層性摩擦材料。

步驟6)采用滴涂方式在另一塊電極表面涂覆一層AgNW，作為正極性摩擦層性摩擦材料。

所述步驟1)中，TPU溶液的溶質(zhì)可以為TPU顆粒，溶劑可以為N,N-二甲基甲酰胺(N，N-dimethyl formamide，DMF)和四氫呋喃(Tetrahydrofuran，THF)可以按照2:3配比的混合溶液，溶質(zhì)質(zhì)量分?jǐn)?shù)可以為12％-15％，靜電紡絲工藝參數(shù)為所加電壓為15-20kV,液體補(bǔ)給速度可以為0.5-2ul/min,紡絲接收距離為8-15cm,接收時(shí)間為20-40min。

所述步驟2)中，CNT溶液溶質(zhì)為CNT與表面活性劑十二烷基苯磺酸鈉(sodium dodecyl benzene sulfonate,SDBS),溶劑為去離子水，CNT和SDBS的濃度均可以為1-4mg/ml，溶液超聲時(shí)間可以為4小時(shí)，電極電阻可以為50-500Ω。

所述步驟3)中，PDMS單體和交聯(lián)劑的配比可以為10：1，膜厚為100-500um。

所述步驟4)中，可拉伸電極的尺寸可以為9-25cm²，兩電極間距可以為2-5mm,加熱固化溫度可以85℃，時(shí)間可以為15-30min。

所述步驟5)中，PDMS薄膜厚度為50-100um，固化溫度為85℃，時(shí)間可以為15-30min。

所述步驟6)中,AgNW厚度可以為10-30um。

以上所述制備步驟，其工藝順序并非固定不變，根據(jù)實(shí)際需要可調(diào)整工藝順序或刪減工藝步驟。以上各個(gè)參數(shù)只是舉例說明你，也可以根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置。

以下描述本發(fā)明制備方法的另一實(shí)施例。具體加工步驟如下：

步驟1)，通過靜電紡絲的方法加工聚氨酯材料薄膜，膜厚為40-100um,制備成可拉伸電極支撐結(jié)構(gòu)2；

步驟2)，采用滴蘸的方式將銀納米線(AgNW)溶液添加到聚氨酯薄膜表面，并通過熱板烘烤將溶劑蒸發(fā)，留下AgNW作為納米導(dǎo)電材料3；

步驟3)重復(fù)步驟2，直至聚氨酯薄膜方阻降為50-100Ω/cm²，得到可拉伸電極，該可拉伸電極由結(jié)構(gòu)2和3共同組成。

步驟4)將聚二甲基硅氧烷單體(polydimethylsiloxane，PDMS)和交聯(lián)劑按照10:1的比例混合均勻，靜置30分鐘去除混合粘液中的氣泡；

步驟5)通過旋涂的方法，在玻璃表面旋涂一層上述混合粘液，厚度為100-500um，作為可拉伸襯底1；

步驟6)將兩塊適當(dāng)尺寸的可拉伸電極貼附在旋涂好的PDMS薄膜表面，并在90℃條件下固化5-10分鐘。

步驟7)采用滴涂方式在一塊電極表面涂覆一層AgNW，作為正極性摩擦層性摩擦材料4；

步驟8)利用PDMS的自流平工藝將PDMS混合粘液涂覆于另一塊可拉伸電極表面，加熱將其固化，作為負(fù)極性摩擦層性可拉伸摩擦材料5；

步驟9)將PDMS薄膜從玻璃表面揭下并裁剪為合適尺寸。

以上所述制備步驟，其工藝順序并非固定不變，根據(jù)實(shí)際需要可調(diào)整工藝順序或刪減工藝步驟。

圖5為該可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)的應(yīng)力應(yīng)變曲線；參照圖6(a),采用以上步驟所制備出的可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)，在5Hz的外加振動(dòng)下，輸出電壓峰峰值為670V。參照圖6(b)，該壓電摩擦復(fù)合式微納發(fā)電機(jī)在5Hz的外加振動(dòng)下，在100s內(nèi)可將1μF的電容充電至10V。

本發(fā)明所提供的可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)可以應(yīng)用于以下領(lǐng)域：

1、本發(fā)明的摩擦發(fā)電機(jī)只有一片薄膜，可用于貼附在人體或者衣服表面。雙電極的工作模式使該器件的輸出電壓大幅提高，且對外界材料選擇性低，可將其與日常生活中任意經(jīng)常產(chǎn)生接觸分離的部件相結(jié)合，如鼠標(biāo)墊表面、手機(jī)背面、衣服表面、鞋底、桌椅板凳表面等,隨時(shí)隨地采集機(jī)械能。

2、由于器件為薄膜結(jié)構(gòu)，并且具備可拉伸特性，可以實(shí)現(xiàn)不規(guī)則曲面的保形覆蓋，并且襯底采用具有生物兼容性的聚合物材料，將其貼附于人體皮膚表面可隨時(shí)收集人體運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能，為便攜式低功耗電子設(shè)備供電。也就是說，本發(fā)明所提供的可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)，可以應(yīng)用于微型可穿戴設(shè)備供能、物聯(lián)網(wǎng)傳感器供能等領(lǐng)域。

3、該器件只要有其他材料與表面產(chǎn)生接觸分離或者相對滑動(dòng)便會在外電路輸出電壓信號，可將器件與報(bào)警器相結(jié)合，放置在門縫、皮包表面、保險(xiǎn)箱內(nèi)部、書頁之間等需要保密的位置，在有外界干擾出現(xiàn)時(shí)，產(chǎn)生觸發(fā)信號進(jìn)行警報(bào)。

本發(fā)明優(yōu)點(diǎn)在于：

1、本發(fā)明提出的可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)是基于雙電極工作模式，輸出電壓高，且對外部接觸材料選擇性低。

2、本發(fā)明提出的可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)可拉伸的特性可以使其實(shí)現(xiàn)皮膚的保形覆蓋，在關(guān)節(jié)處直接通過器件彎折產(chǎn)生輸出，在非關(guān)節(jié)處也可隨人體運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生相應(yīng)形變，對衣物等材料的接觸分離、滑動(dòng)等多種運(yùn)動(dòng)形式進(jìn)行能量采集，且可貼附于其他任意形狀物體表面進(jìn)行能量采集，工作方式靈活，適用范圍廣泛.

4、本發(fā)明提出的可拉伸摩擦發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單、制作方便、成本低、適于大規(guī)模商業(yè)化生產(chǎn)。

以上所述，僅為本發(fā)明較佳的具體實(shí)施方式，但本發(fā)明的保護(hù)范圍并不局限于此，任何熟悉本技術(shù)領(lǐng)域的技術(shù)人員在本發(fā)明揭露的技術(shù)范圍內(nèi)，可輕易想到的變化或替換，都應(yīng)涵蓋在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)該以權(quán)利要求的保護(hù)范圍為準(zhǔn)。