CN103368450B - 利用摩擦电纳米发电机的鞋垫 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，包括摩擦电纳米发电机和包裹所述摩擦电纳米发电机的鞋垫本体，摩擦电纳米发电机由上向下依次包括上电极层、第一摩擦层、弹性层、第二摩擦层和下电极层，其中，所述弹性层用于隔离所述第一摩擦层和第二摩擦层；所述弹性层在外力作用下能够被压缩，使所述第一摩擦层和第二摩擦层发生接触；所述弹性层在撤去外力时能够弹性回复，使所述第一摩擦层和第二摩擦层发生分离；所述第一摩擦层和第二摩擦层分别采用具有不同摩擦电性质的材料。在外力施加和撤去时两个聚合物层摩擦电材料的不断分离和接触即可使上电极层和下电极层之间形成电势差，从而对外输出电能。

Description

利用摩擦电纳米发电机的鞋垫

技术领域

本发明涉及一种发电机，特别涉及将重力、运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的摩擦电纳米发电机和利用该摩擦电纳米发电机的鞋垫。

背景技术

由于地球重力的作用，所有地球上的生物在移动过程中都要克服其自身的重力。如何回收这些大量浪费的重力能，一直是一项重大的研究课题。

利用带发电装置的鞋垫可以将行走过程中大量流失的重力能转化成电能。目前，已经报道的带发电装置的鞋垫由踏压转动机构、传动机构和微型发电机等组成，这种鞋垫结构复杂、体积大、成本高，并且稳定性和转化效率低，导致了这种技术很难被实际应用。因此，开发一种低成本、结构简单和高转化效率的发电装置和带发电装置的鞋垫一直以来是研究的热点之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种能够将重力、运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的结构简单的摩擦电纳米发电机。

为实现上述目的，本发明提供一种摩擦电纳米发电机，由上向下依次包括上电极层、第一摩擦层、弹性层、第二摩擦层和下电极层，其中，

所述弹性层用于隔离所述第一摩擦层和第二摩擦层；所述弹性层在外力作用下能够被压缩，使所述第一摩擦层和第二摩擦层发生接触；所述弹性层在撤去外力时能够弹性回复，使所述第一摩擦层和第二摩擦层发生分离；

所述第一摩擦层和第二摩擦层分别采用具有不同摩擦电性质的材料。

优选地，撤去外力时，所述弹性层使所述第一摩擦层和第二摩擦层分离，所述第一摩擦层和第二摩擦层不接触部分的距离保持在1mm至10mm。

优选地，所述弹性层为弹性海绵或弹性布料。

优选地，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层由高分子材料构成。

优选地，所述高分子材料选自聚酰亚胺、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、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯。

优选地，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层的厚度为2-200μm。

优选地，所述第一摩擦层面向所述第二摩擦层的表面和/或第二摩擦层面向所述第一摩擦层的表面部分或全部包括纳米或微米结构。

优选地，所述纳米或微米结构为纳米线、纳米管、纳米棒或微米/纳米颗粒的一种或多种排列或涂层，或者为纳米线、纳米管、纳米棒或微米/纳米颗粒的复合结构。

优选地，所述上电极层和/或下电极层采用导电薄膜。

优选地，所述导电薄膜选自金属薄膜或导电氧化物薄膜。

优选地，所述金属薄膜为铂膜、铝膜、金膜或铜膜。

优选地，所述导电薄膜通过将金属沉积在所述聚合物层表面而形成。

优选地，所述沉积方法为磁控溅射或蒸镀。

优选地，所述的弹性层的厚度为1mm到10mm之间。

优选地，所述的弹性层的面积为第一摩擦层或第二摩擦层面积的5％-70％。

优选地，所述弹性层位于所述第一摩擦层下表面和第二摩擦层上表面的边缘和/或中间。

优选地，还包括整流器，所述摩擦电纳米发电机的上电极层和下电极层分别通过导线与所述整流器的输入端相连接，所述整流器的输出端为摩擦电纳米发电机的输出端。

相应地，本发明还提供一种摩擦电纳米发电机组，包括上下叠加的多个上述摩擦电纳米发电机，其中，

多个所述摩擦电纳米发电机之间为串联和/或并联；在上下两个相邻的所述摩擦电纳米发电机之间包括隔离层，所述隔离层用于将在上的摩擦电纳米发电机的下电极层和在下的摩擦电纳米发电机的上电极层隔离。

优选地，多个所述摩擦电纳米发电机能够同步工作。

相应地，本发明还提供一种利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，包括上述摩擦电纳米发电机和包裹所述摩擦电纳米发电机的鞋垫本体，其中，

所述鞋垫本体包括面对面设置的第一表面层和第二表面层；

所述第一表面层位于所述摩擦电纳米发电机的上电极层上，所述第二表面层位于所述摩擦电纳米发电机的下电极层下；所述摩擦电纳米发电机的上电极层和下电极层分别通过导线引出所述鞋垫本体。

优选地，所述摩擦电纳米发电机的第一摩擦层或第二摩擦层的面积与所述第一表面层或第二表面层的面积相当。

优选地，还包括整流器，所述摩擦电纳米发电机的上电极层和下电极层分别通过导线与所述整流器的输入端相连接，所述整流器的输出端通过导线引出所述鞋垫本体。

优选地，所述鞋垫本体采用绝缘材料。

相应地，本发明还提供一种利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，包括上述摩擦电纳米发电机组和包裹所述摩擦电纳米发电机组的鞋垫本体，其中，

所述鞋垫本体包括面对面设置的第一表面层和第二表面层；

所述第一表面层位于所述摩擦电纳米发电机组中最上层的摩擦电纳米发电机的上电极层上，所述第二表面层位于所述摩擦电纳米发电机组中最下层的摩擦电纳米发电机的下电极层下；所述摩擦电纳米发电机组的输出端通过导线引出所述鞋垫本体。

优选地，所述隔离层与所述鞋垫本体采用相同材料。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

本发明的摩擦电纳米发电机，由上向下依次包括上电极层、第一摩擦层、弹性层、第二摩擦层和下电极层，其中，所述弹性层用于连接和隔离所述第一摩擦层和第二摩擦层；所述弹性层在外力作用下能够被压缩，使所述第一摩擦层和第二摩擦层发生接触；所述弹性层在撤去外力时能够弹性回复，使所述第一摩擦层和第二摩擦层发生分离；所述第一摩擦层和第二摩擦层分别采用具有不同摩擦电性质的材料。在外力施加和撤去时，具有不同摩擦电性质的两个摩擦层材料的不断分离和接触即可使上电极层和下电极层之间产生电势差，从而对外输出电能，用于为电子器件提供工作电源或为其充电，能够缓解当前的能源危机。

本发明创新的采用了柔性的高分子材料作为摩擦材料，不仅体积轻薄，而且对外力(例如振动源)的响应非常灵敏，即便轻微的振动或者变形下，也可以驱动摩擦电纳米发电机对外输出电信号，因此具有广泛的应用前景。

另外，采用摩擦电纳米发电机或发电机组与鞋垫一体化的设计思路，突破了现有发电机鞋垫技术中结构复杂、成本高、体积大、稳定性低和转化效率低的缺点。而且，选择环境友好型材料制备摩擦电纳米发电机，摩擦电纳米发电机本身就可以用来制作鞋垫，行走过程中的踩踏的外力(应力)变化作用在鞋垫上，会不断地产生电信号。本发明提供的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫极大的简化了结构和制备工艺，降低了生产成本，非常有利于在工业上的推广和应用。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明的摩擦电纳米发电机实施例一的结构示意图；

图2为本发明的摩擦电纳米发电机的发电过程示意图；

图3为本发明的摩擦电纳米发电机实施例二的结构示意图；

图4为利用摩擦电纳米发电机的鞋垫的结构示意图；

图5为利用摩擦电纳米发电机的鞋垫的实物照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

利用带发电装置的鞋垫可以将行走过程中大量流失的重力能转化成电能。目前，已经报道的带发电装置的鞋垫由于包括踏压转动机构、传动机构和微型发电机等，不仅结构复杂、体积大、成本高，并且重力层转化为电能的稳定性和转化效率低。因此，开发一种对重力能敏感、转化效率高的发电装置和带发电装置的鞋垫是研究的热点之一。本发明提供一种摩擦电纳米发电机以及应用该摩擦电纳米发电机的鞋垫。本发明的摩擦电纳米发电机的技术方案为：利用具有不同的摩擦电性质的两种摩擦层材料弹性连接构建出摩擦电纳米发电机，当压力作用在摩擦电纳米发电机上时，将会导致构成摩擦电纳米发电机的两种摩擦层材料接触，从而使易失电子的摩擦层材料失去电子，易得电子的摩擦层材料得到电子，使与两种摩擦层材料贴合的电极层对外输出电信号。

本发明中涉及的材料摩擦电性质是指材料在与其他材料发生摩擦或接触的过程中显示出来的得失电子能力，即两种具有不同摩擦电性质的材料相接触时一个带正电，一个带负电，说明这两种材料的得电子能力不同，亦即二者的摩擦电性质不同。例如，高分子材料聚二甲基硅氧烷(PDMS)与聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)接触时，聚二甲基硅氧烷(PDMS)带负电，即得电子能力较强，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)带正电，即得失电子能力强。

下面结合附图详细介绍本发明的实施例。

实施例一：

参见图1，为本实施例的摩擦电纳米发电机的结构示意图，由上向下依次包括上电极层101、第一摩擦层102、弹性层103、第二摩擦层104和下电极层105，所述第一摩擦层102和第二摩擦层104分别采用具有不同摩擦电性质的材料。弹性层103用于隔离第一摩擦层102和第二摩擦层104。弹性层103在外力作用下能够被压缩，使第一摩擦层102和第二摩擦层104发生接触；弹性层103在撤去外力时能够弹性回复，使第一摩擦层102和第二摩擦层104发生分离。

本实施例的摩擦电纳米发电机的发电过程参见图2，由于第一摩擦层102与第二摩擦层104采用具有不同摩擦电性质的材料，第一摩擦层102与第二摩擦层104之间存在得电子能力的差异，第二摩擦层104得电子能力强而第一摩擦层102的外表面则更容易失去电子，因此当压缩力(外力)作用在上电极层101或下电极层105时，第一摩擦层102和第二摩擦层104之间的弹性层103会被压缩变形，从而带动第一摩擦层102和第二摩擦层104的某些部分接触(参见图2中a图)，使第一摩擦层102表面带有正电荷，而第二摩擦层104外表面则带负电荷。当压缩应力释放后，弹性层103弹性回复会分离第一摩擦层102和第二摩擦层104(参见图2中b图)，为了达到第一摩擦层102上下表面电荷的平衡，电子会从下电极层105向上电极层101移动，从而对外输出电信号。当第一摩擦层102上下表面的电荷完全平衡后(参见图2中c图)，并没有电子的流动。当压缩应(外力)力再作用到上电极层101或下电极层105上时，第一摩擦层102和第二摩擦层104之间的弹性层103又发生压缩变形，此时第一摩擦层102的下表面和第二摩擦层104的上表面将靠近，将导致电子从上电极层101向下电极层105移动(参见图2中d图)，对外输出电流。当第一摩擦层102和第二摩擦层104完全接触后，此时，并没有电子在外电路中流动，观察不到电流输出。

在本实施例中，第一摩擦层102和/或第二摩擦层104的材料有多种选择，这里可选高分子材料，这里按照得电子能力越来越强的顺序列出一些高分子材料：聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的聚合物材料供参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

通过实验发现，当第一摩擦层102的材料与第二摩擦层104的材料得电子能力相差越大时，摩擦电纳米发电机输出的电信号越强，所以，根据上面列出的顺序选择合适的聚合物材料作为第一摩擦层102和第二聚合物104，以获得最佳的电信号输出性能。

为了提高摩擦电纳米发电机的性能，第一摩擦层102和第二摩擦层104的厚度尽量薄一些，而制备该薄层聚合物层可采用本领域的常规方法。研究发现，摩擦电纳米发电机对外输出电信号的大小随着外加压力的增大而增大，第一摩擦层102和第二摩擦层104之间的弹性层103的厚度和弹性层所占第一摩擦层或第二摩擦层面积的比例也会对发电机的输出产生影响。弹性层103所占面积为第一摩擦层或第二摩擦层面积的5％-70％，所得到的输出性能最好。弹性层103的厚度为1毫米至10毫米范围时，摩擦电纳米发电机的输出最大。

第一摩擦层102的厚度可以优选为2-200μm。第二摩擦层104的厚度可以优选为10-200μm。优选的，在未压缩弹性层或撤去外力时，第一摩擦层102和第二摩擦层104不接触部分的距离保持在1mm至10mm。

弹性层103的材料可以选择弹性海绵、弹性布料等弹性材料。弹性层103的作用是隔离第一摩擦层102和第二摩擦层104，并且可以在外力作用下使第一摩擦层102和第二摩擦层104发生接触，撤去外力时能够使第一摩擦层102和第二摩擦层104发生分离。因此，弹性层103的形状和位置不应限制本发明的保护范围，根据摩擦电纳米发电机的形状，弹性层103可以是连续的弹性材料，设置在第一摩擦层下表面和第二摩擦层上表面的边缘；弹性层103也可以采用多段弹性材料，设置在第一摩擦层下表面或第二摩擦层上表面的边缘和/或中间位置。

上电极层101和下电极层105由导电材料构成，可采用导电薄膜作为本发明的摩擦电纳米发电机的电极层，导电薄膜可以选自金属薄膜或导电氧化物薄膜，更优选金属薄膜，例如铂膜、铝膜、金膜、铜膜、铟锡氧化物薄膜等。

上电极层101应该与第一摩擦层102紧密接触，以保证电荷的传输效率，优选的方式是将导电材料通过沉积的方式在第一摩擦层102的上表面成膜；具体的沉积方法可以为磁控溅射或蒸镀方法。

下电极层105应该与第二摩擦层104紧密接触，以保证电荷的传输效率，较好的方式是将导电材料通过沉积的方式在第二摩擦层104的下表面成膜；具体的沉积方法可以为磁控溅射或蒸镀方法。

下面以一个具体的例子介绍本实施例中摩擦电纳米发电机的制备过程：

采用磁控溅射法在长30cm×宽6cm×厚127μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯的上表面均匀镀上一层铝Al薄膜，冷却后将一根导线的一端通过焊接固定在铝Al薄膜的外侧，实现铝Al薄膜与导线的连接。采用磁控溅射法在长30cm×宽6cm×厚100μm的聚二甲基硅氧烷的下表面均匀镀上一层铝Al薄膜，冷却后将一根导线的一端通过焊接固定在铝Al薄膜的外侧，实现铝Al薄膜与导线的连接。用多个弹性的海绵(厚度为5mm，总面积为15cm²)分别固定在聚二甲基硅氧烷的上表面的周围，然后盖上聚对苯二甲酸乙二醇酯。确保在没有外力压缩的条件下，聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚二甲基硅氧烷是完全分离的。在外力压缩的时候，两层薄膜可以接触在一起。对发电机的柔性外膜施加外力，如揉搓或轻按，连接在导线上的电压表有相应的电信号输出，说明能够将机械能转化为电能进行发电。

本发明的摩擦电纳米发电机，利用了柔性的高分子材料的摩擦生电现象，不仅体积轻薄，而且对外力(例如振动等外力)的响应敏感。特别是将施加外力的能量转化为电能的效率高。

实施例二：

本实施例的摩擦电纳米发电机中，第一摩擦层面向第二摩擦层的表面(即第一摩擦层的下表面)和/或第二摩擦层面向第一摩擦层的表面(即第二摩擦层的上表面)可以部分或全部包括纳米或微米结构，能够增加第一摩擦层和第二摩擦层的有效接触面积，提高第一摩擦层和第二摩擦层的表面电荷密度，从而提高摩擦电纳米发电机的输出性能。这里的纳米结构可以是纳米线、纳米管、纳米棒、纳米颗粒或纳米花，特别是由纳米线、纳米管、纳米棒或微米/纳米颗粒的一种或多种排列或涂层，或者为纳米线、纳米管、纳米棒或微米/纳米颗粒的复合结构。纳米或微米结构可以是通过光刻蚀等方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列，阵列中每个这种单元的尺寸在纳米到微米量级，具体纳米或微米结构的单元尺寸、形状、形成方式不应该限制本发明的范围。在第一摩擦层面向第二摩擦层的表面、以及第二摩擦层面向第一摩擦层的表面同时制作纳米或微米结构可以提高发电机的输出性能。

参见图3，本实施例的摩擦电纳米发电机的结构与实施例一中的基本相同，区别在于在第一摩擦层102的面向第二摩擦层104的表面(即第一摩擦层下表面)包括纳米棒阵列106。纳米棒阵列106的材料优选与第一摩擦层的材料相同。

本实施例中摩擦电纳米发电机的上电极层、第一摩擦层、弹性层、第二摩擦层和下电极层的材料以及厚度可以与实施例一中相同，在这里不再复述。

实施例一和本实施例的摩擦电纳米发电机中，还可以包括整流器，摩擦电纳米发电机的上电极层和下电极层分别通过导线与整流器的输入端相连接，整流器的输出端为摩擦电纳米发电机的输出端。这样的摩擦电纳米发电机可以输出直流电信号，为各种电子器件提供工作电源或为其充电，能够缓解当前的能源危机。

实施例三：

本实施例提供一种摩擦电纳米发电机组，所述的摩擦电纳米发电机组包括多个实施例一或实施例二中的摩擦电纳米发电机，多个摩擦电纳米发电机上下叠加形成摩擦电纳米发电机组，多个摩擦电纳米发电机之间为串联和/或并联，多个摩擦电纳米发电机的上电极层和下电极层串联和/或并联后形成摩擦电纳米发电机组的输出端，在上下两个相邻的摩擦电纳米发电机之间包括隔离层，隔离层用于将在上的摩擦电纳米发电机的下电极层和在下的摩擦电纳米发电机的上电极层隔离。将多个摩擦电纳米发电机进行串联和/或并联形成摩擦电纳米发电机组，可以获得更高的输出。

优选的，摩擦电纳米发电机组中的多个摩擦电纳米发电机能够同步工作，多个摩擦电纳米发电机同步工作，使每个摩擦电纳米发电机中电流同步从上电极层流向下电极层，有利于摩擦电纳米发电机组获得较高的输出。

隔离层的材料可以选择弹性材料或非弹性材料，例如海绵、橡胶或SiO₂等绝缘材料。

实施例四：

本实施例中，提供一种采用了实施例一或实施例二中的摩擦电纳米发电机的鞋垫，将实施例一或实施例二中的摩擦电纳米发电机包裹在鞋垫本体材料中，将摩擦电纳米发电机的上电极层和下电极层分别通过导线引出鞋垫本体外，参见图4，本实施例的鞋垫包括摩擦电纳米发电机201和包裹摩擦电纳米发电机201的鞋垫本体，鞋垫本体包括面对面设置的第一表面层202和第二表面层203。其中，摩擦电纳米发电机202的结构参见图1或图3，鞋垫本体的第一表面层202位于摩擦电纳米发电机201的上电极层101上，第二表面层203位于摩擦电纳米发电机201的下电极层105下；摩擦电纳米发电机201的上电极层101和下电极层105分别通过导线引出所述鞋垫本体。

鞋垫本体的第一表面层202和第二表面层203可以通过粘合或缝合等的方式结合在一起，以保护包裹在鞋垫本体中的摩擦电纳米发电机201。第一表面层202和/或第二表面层203可以采用绝缘材料，优选为纺织布料或橡胶等材料。图5所示的鞋垫中，鞋垫本体的第一表面层和第二表面层采用普通布料，第一表面层和第二表面层之间放置摩擦电纳米发电机，用胶布将第一表面层202和第二表面层203粘合后将擦电纳米发电机包裹在鞋垫本体中。

鞋垫本体可以采用以塑注成型方式成型的弹性材料，可以在摩擦电纳米发电机的外表面以塑注成型的方式形成鞋垫本体，这样形成的鞋垫本体的第一表面层和第二表面层连接在一起，不需要额外的粘贴或缝合步骤。

鞋垫中的摩擦电纳米发电机的第一摩擦层或第二摩擦层的面积优选为与第一表面层或第二表面层的面积相当。

下面以一个具体例子详细介绍本实施例的鞋垫的制备过程：

首先制备摩擦电纳米发电机。采用磁控溅射法在长30cm×宽6cm×厚127μm的聚对苯二甲酸乙二醇酯的上表面均匀镀上一层铝Al薄膜，冷却后将一根导线的一端通过焊接固定在铝Al薄膜的外侧，实现铝Al薄层与导线的连接。采用蒸镀法在长30cm×宽6cm×厚100μm的聚二甲基硅氧烷的下表面均匀镀上一层铝Al薄膜，冷却后将一根导线的一端通过焊接固定在铝Al薄膜的外侧，实现铝Al薄膜与导线的连接。将聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚二甲基硅氧烷薄膜的形状修剪成鞋垫的形状。多个弹性的海绵(厚度为5mm，总面积为15cm²)分别固定在聚二甲基硅氧烷的上表面的周围，然后盖上聚对苯二甲酸乙二醇酯，使聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚二甲基硅氧烷面对面设置，完成摩擦电纳米发电机的制备。弹性的海绵的设置确保在外力压缩鞋垫的时候，聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚二甲基硅氧烷薄膜可以接触。在外力释放的时候，聚对苯二甲酸乙二醇酯和聚二甲基硅氧烷薄膜可以分离。接着，将制备完成的摩擦电纳米发电机置入鞋垫本体的两层布料(即第一表面层和第二表面层)之间，然后将导线引出鞋垫的布料并缝合两层布料。图5为本实施例利用摩擦电纳米发电机的鞋垫的实物照片。

可以将摩擦电纳米发电机的上电极层(聚二甲基硅氧烷表面的Al薄膜)和下电极层(聚对苯二甲酸乙二醇酯表面的Al薄膜)通过导线和一个整流器的输入端相连接，并把整流器也设置在鞋垫本体里面。整流器的输出端通过导线引出鞋垫本体后可以和需要充电或供电的电子设备相连接，驱动电子设备工作或为其充电。

实施例五：

本实施例中，提供一种利用了摩擦电纳米发电机的鞋垫，包括实施例三中所述的摩擦电纳米发电机组和包裹所述摩擦电纳米发电机组的鞋垫本体，其中，鞋垫本体包括面对面设置的第一表面层和第二表面层；鞋垫本体的第一表面层位于所述摩擦电纳米发电机组中最上层的摩擦电纳米发电机的上电极层上，鞋垫本体的第二表面层位于摩擦电纳米发电机组中最下层的摩擦电纳米发电机的下电极层下；摩擦电纳米发电机组的输出端通过导线引出鞋垫本体。

鞋垫本体的材料以及成型方法都可以与实施例四中相同。摩擦电纳米发电机组中的隔离层可以采用与鞋垫本体相同或不同的材料，例如绝缘橡胶等绝缘材料。

把制备完成的鞋垫放入鞋中，当人在行走过程中，鞋垫不断的受到外部的压力，然后释放压力。连接在摩擦电纳米发电机的上下电极层或者是整流器输出端的电压表有相应的电信号输出，说明能够将机械能转化为电能进行发电或对电子器件充电。

本发明的利用摩擦电纳米发电机或发电机组的鞋垫中，摩擦电纳米发电机或发电机组也充当了鞋垫的一部分，获得了轻薄的鞋垫，可以将行走时的重力能转变为电能，通过整流器后可以获得直流输出为电子器件提供电源或充电。

本实施例中所述的利用摩擦电纳米发电机或发电机组的鞋垫，并不限于普通意义的鞋垫，是行走时被踩踏部分的统称。例如可以是鞋底或者人流量大的区域的地垫等。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (23)

1.一种利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，包括摩擦电纳米发电机和包裹所述摩擦电纳米发电机的鞋垫本体，其中，

所述摩擦电纳米发电机由上向下依次包括上电极层、第一摩擦层、弹性层、第二摩擦层和下电极层；所述弹性层用于隔离所述第一摩擦层和第二摩擦层；所述弹性层在外力作用下能够被压缩，使所述第一摩擦层和第二摩擦层发生接触；所述弹性层在撤去外力时能够弹性回复，使所述第一摩擦层和第二摩擦层发生分离；所述第一摩擦层和第二摩擦层分别采用具有不同摩擦电性质的材料；

所述鞋垫本体包括面对面设置的第一表面层和第二表面层；所述第一表面层位于所述摩擦电纳米发电机的上电极层上，所述第二表面层位于所述摩擦电纳米发电机的下电极层下；所述摩擦电纳米发电机的上电极层和下电极层分别通过导线引出所述鞋垫本体。

2.根据权利要求1所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，撤去外力时，所述弹性层使所述第一摩擦层和第二摩擦层分离，所述第一摩擦层和第二摩擦层不接触部分的距离保持在1mm至10mm。

3.根据权利要求1所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，所述弹性层为弹性海绵或弹性布料。

4.根据权利要求1所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层由高分子材料构成。

5.根据权利要求4所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，所述高分子材料选自聚酰亚胺、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、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯。

6.根据权利要求5所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层的厚度为2-200μm。

7.根据权利要求1所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，所述第一摩擦层面向所述第二摩擦层的表面和/或第二摩擦层面向所述第一摩擦层的表面部分或全部包括纳米或微米结构。

8.根据权利要求7所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，所述纳米或微米结构为纳米线、纳米管、纳米棒或微米/纳米颗粒的一种或多种排列或涂层，或者为纳米线、纳米管、纳米棒或微米/纳米颗粒的复合结构。

9.根据权利要求1所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，所述上电极层和/或下电极层采用导电薄膜。

10.根据权利要求9所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，所述导电薄膜选自金属薄膜或导电氧化物薄膜。

11.根据权利要求10所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，所述金属薄膜为铂膜、铝膜、金膜或铜膜。

12.根据权利要求10所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，所述导电薄膜通过将金属沉积在所述聚合物层表面而形成。

13.根据权利要求12所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，用于所述沉积的方法为磁控溅射或蒸镀。

14.根据权利要求1至13任一项所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，所述的弹性层的厚度为1mm到10mm之间。

15.根据权利要求1所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，所述的弹性层的面积为第一摩擦层或第二摩擦层面积的5％-70％。

16.根据权利要求1所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，所述弹性层位于所述第一摩擦层下表面和第二摩擦层上表面的边缘和/或中间。

17.根据权利要求1所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，还包括整流器，所述摩擦电纳米发电机的上电极层和下电极层分别通过导线与所述整流器的输入端相连接，所述整流器的输出端为摩擦电纳米发电机的输出端。

18.根据权利要求1所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，所述摩擦电纳米发电机的第一摩擦层或第二摩擦层的面积与所述第一表面层或第二表面层的面积相当。

19.根据权利要求1或18所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，还包括整流器，所述摩擦电纳米发电机的上电极层和下电极层分别通过导线与所述整流器的输入端相连接，所述整流器的输出端通过导线引出所述鞋垫本体。

20.根据权利要求1或18任一项所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，所述鞋垫本体采用绝缘材料。

21.一种利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，包括摩擦电纳米发电机组和包裹所述摩擦电纳米发电机组的鞋垫本体，其中，

所述摩擦电纳米发电机组包括上下叠加的多个摩擦电纳米发电机，其中，所述摩擦电纳米发电机由上向下依次包括上电极层、第一摩擦层、弹性层、第二摩擦层和下电极层；所述弹性层用于隔离所述第一摩擦层和第二摩擦层；所述弹性层在外力作用下能够被压缩，使所述第一摩擦层和第二摩擦层发生接触；所述弹性层在撤去外力时能够弹性回复，使所述第一摩擦层和第二摩擦层发生分离；所述第一摩擦层和第二摩擦层分别采用具有不同摩擦电性质的材料；

多个所述摩擦电纳米发电机之间为串联和/或并联；在上下两个相邻的所述摩擦电纳米发电机之间包括隔离层，所述隔离层用于将在上的摩擦电纳米发电机的下电极层和在下的摩擦电纳米发电机的上电极层隔离；

所述鞋垫本体包括面对面设置的第一表面层和第二表面层；所述第一表面层位于所述摩擦电纳米发电机组中最上层的摩擦电纳米发电机的上电极层上，所述第二表面层位于所述摩擦电纳米发电机组中最下层的摩擦电纳米发电机的下电极层下；所述摩擦电纳米发电机组的输出端通过导线引出所述鞋垫本体。

22.根据权利要求21所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，多个所述摩擦电纳米发电机能够同步工作。

23.根据权利要求21所述的利用摩擦电纳米发电机的鞋垫，其特征在于，所述隔离层与所述鞋垫本体采用相同材料。