CN103780121A - 一种基于摩擦电纳米发电机的超声和声波探测仪 - Google Patents

Abstract

本发明利用聚合物材料和金属材料具有不同的摩擦电性质而构建出摩擦电纳米发电机，并且基于该纳米发电机设计并制备出具有超声和声波探测功能的探测仪。当声波或超声波传递到探测仪的柔性外膜时，柔性外膜或者柔性外膜的某些部分发生相应的机械振动，使柔性外膜与导电内芯的接触状态发生相应的变化，驱动纳米发电机对外输出电信号。本发明的超声和声波探测仪无需电源供电或预先充电，可以探测来自各个方向的超声或者声波信号，利用超声或声波引起的机械振动实现自驱动，并且采用轻薄的柔性外膜，在提高探测精度的同时也简化了探测仪的结构，具有便携、结构简单、使用方便、节约能源等突出优势。

Description

一种基于摩擦电纳米发电机的超声和声波探测仪

技术领域

本发明涉及一种基于摩擦电纳米发电机的自驱动超声和声波探测仪。

背景技术

到目前为止，超声波是唯一能在深海作远距离传输的能量形式，而目前实用的探测水下目标的技术只有声纳技术。接收换能器是声纳中的核心器件，它是把水下超声波信号转换为电信号。根据换能原理的不同，换能器有压电式和电容式两种。压电式接收换能器是基于压电效应的传感器。它的敏感元件由压电材料制成，压电材料受力后表面产生电荷。此电荷经电荷放大器、测量电路和变换阻抗后就成为正比于所受外力的电量输出。缺点是很多压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差，需要采用高输入阻抗电路或电荷放大器来克服这一缺陷，而电荷放大器和高输入阻抗电路等都需要外接电源来驱动。电容式接收换能器，一般采用两块具有弹性的金属膜或镀金属的膜作为电容器的两极，当弹性膜感受压力而变形时，两极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与压力成一定关系的电信号。缺点是输出有非线性，寄生电容和分布电容对灵敏度和测量精度的影响较大，以及联接电路较复杂等，并且使用之前必须给电容充电。

现有的两种水下超声探测仪结构较复杂，并且只能探测来自某一方向的超声波，无法探测来自四面八方的超声波信号，最重要的是都需要外接电源对其进行供电或者充电。由于探测器需要在水下长期工作，而对其进行供电或者充电等操作极大地限制了其使用范围，降低了其使用效率。虽然现在已经发展出了一些利用压电和摩擦电性能进行驱动的发电机，但是这些发电机的结构比较复杂，不适合对低强度的声波和高频率的超声波进行高效的探测，因此目前还没有任何一种自驱动的声波或超声波探测器被发明出来，这大大影响了自驱动发电机的应用领域。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的在于提供一种无需外部电源的新型超声探测仪，该探测器可以探测各个方向上的超声波信号。为此，本发明提供一种新型摩擦电纳米发电机和包含该发电机的有源（自驱动）超声和声波探测仪。

其中，本发明提供的摩擦电纳米发电机包括导电内芯和围绕在所述导电内芯外侧面形成闭合曲面的柔性外膜，其特征在于所述柔性外膜由内向外依次包括聚合物层、电极层和绝缘防腐层，所述聚合物层的厚度处于纳米尺度，且其内侧与导电内芯外侧面部分不接触或完全不接触，所述聚合物层和导电内芯分别由具有不同摩擦电性质的物质组成，从而使聚合物层在与导电内芯接触的过程中聚合物层得到电子，而导电内芯失去电子；

优选地，所述聚合物层内侧与所述导电内芯外侧面不接触部分的间距保持在8mm至10μm；

优选地，所述聚合物层由容易得到电子的高分子聚合物材料构成，可以选自聚酰亚胺、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、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯；

优选地，所述聚合物层面向所述导电内芯的表面上有纳米结构；优选包括纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花；更优选包括由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列；

优选地，所述电极层由导电薄膜构成，优选金属薄膜或铟锡氧化物薄膜，更优选金属薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜；

优选地，所述电极层通过将金属沉积在所述聚合物层表面而形成；

优选地，所述沉积方法优选为磁控溅射或蒸镀；

优选地，所述绝缘防腐层还具有防水功能，优选为三氧化二铝层；

优选地，所述绝缘防腐层通过在电极层表面沉积绝缘防腐材料而形成；

优选地，所述沉积方法优选为磁控溅射；

优选地，所述导电内芯具有能够导电的外侧面，该外侧面材料为金属、或铟锡氧化物ITO导电膜，所述导电内芯具有上下平行的两个端面和连接两个端面的封闭式外侧面，优选两个端面与外侧面的横截面积相等，更优选外侧面的纵轴与两个端面垂直，尤其是呈柱体、特别是圆柱体；

优选地，所述导电内芯可以为玻碳棒；

优选地，所述导电内芯的外表面上有纳米结构，优选包括纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花，更优选包括由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列；

优选地，所述导电内芯外侧面与聚合物层内表面之间不接触部分的间距为5mm至50μm，优选1mm至100μm，更优选800μm至100μm；

优选地，所述导电内芯和所述电极层通过导线连到电压表上；

本发明还提供一种上述摩擦电纳米发电机的制备方法，其特征在于：将所述导电内芯与所述电极层用导线连接到电压表上，然后将所述柔性外膜围绕到所述导电内芯的外侧面，并调整所述导电内芯与聚合物层之间的间距，最后将所述柔性外膜进行封边处理，使之成为围绕在所述导电内芯外侧面的封闭曲面；

优选地，所述封边处理为常规封边处理方法，例如粘合处理；

本发明提供一种超声和声波探测仪，其特征在于包括摩擦电纳米发电机、绝缘密封盖和电压表，其中所述摩擦电纳米发电机包括导电内芯和围绕在所述导电内芯外侧面形成闭合曲面的柔性外膜，其特征在于所述柔性外膜由内向外依次包括聚合物层、电极层和绝缘防腐层，所述聚合物层的厚度处于纳米尺度且其内侧与导电内芯外侧面部分不接触或完全不接触，其中不接触部分的间距保持在5mm至50μm，所述绝缘密封盖将探测仪中除由所述绝缘防腐层覆盖之外的裸露端面进行绝缘密封，所述聚合物层和导电内芯分别由具有不同摩擦电性质的物质组成，从而使聚合物层在与导电内芯接触的过程中聚合物层得到电子，而导电内芯失去电子；

优选地，所述聚合物层由容易得到电子的高分子聚合物材料构成，优选聚酰亚胺、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、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯；

优选地，所述聚合物层面向所述导电内芯的表面具有纳米结构；优选为纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花；更优选为由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列；

优选地，所述电极层由导电薄膜构成，优选金属薄膜或铟锡氧化物薄膜，更优选金属包膜，例如铝膜、金膜、铜膜；

优选地，所述电极层通过将金属沉积在所述聚合物层表面而形成；

优选地，所述沉积方法优选为磁控溅射或蒸镀；

优选地，所述绝缘防腐层还具有防水功能，优选为三氧化二铝层；

优选地，所述绝缘防腐层通过在电极层表面沉积绝缘防腐材料而形成；

优选地，所述沉积方法优选为磁控溅射；

优选地，所述导电内芯具有能够导电的外侧面，该外侧面材料为金属、或铟锡氧化物ITO导电膜，所述导电内芯具有上下平行的两个端面和连接两个端面的封闭式外侧面，优选两个端面与外侧面的横截面积相等，更优选外侧面的纵轴与两个端面垂直，尤其是呈柱形；

优选地，所述导电内芯可以为玻碳棒；

优选地，所述导电内芯的外表面具有纳米结构，优选纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花，更优选由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列；

优选地，所述导电内芯外侧面与聚合物层内表面之间不接触部分的间距优选1mm至100μm，更优选800μm至100μm；

优选地，所述导电内芯和所述电极层通过导线连到电压表上；

本发明还提供上述超声和声波探测仪的制备方法，其特征在于：将所述导电内芯与所述电极层用导线连接到电压表上，然后将所述柔性外膜围绕到所述导电内芯的外侧面，并调整所述导电内芯与聚合物层之间的间距，再将所述柔性外膜进行封边处理，使之成为围绕在所述导电内芯外侧面的封闭曲面，最后用绝缘密封盖对所述摩擦电纳米发电机的两端进行封装处理。

与现有技术相比，本发明的摩擦电纳米发电机和使用该发电机而制成的探测仪具有下列优点：

1、首次在无需外接电源对其进行供电或者充电的情况下实现对超声波和声波的探测功能，不仅简化了结构、节省了能源，更拓展了探测仪在很多不便充电或不便连接电源的领域中的应用。

2、首次使用了立式闭合型的探测表面，突破了现有技术中平面换能器只能对单一方向进行探测的限制，能够同时探测来自各个方向的声波或超声波信号，大大提高了对信号的捕集范围。同时该设计还打破了现有技术中纳米发电机均采用的双基底常规结构，将失电子层、基底层和电极层合而为一，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。

3、创新的采用了柔性外膜，不仅体积轻薄，而且对振动源的响应非常灵敏，即便轻微的超声波或声波都能引起外膜或外膜的某些部分往复振动，驱动摩擦电纳米发电机对外输出电信号，同时增大的探测表面增强了电信号的输出强度，因此具有极高的探测灵敏度。

4、采用绝缘防腐层将发电机密封封装，扩大了发电机和探测仪的使用范围，特别是能够在水等液体中正常使用。

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，重点在于显示出本发明的主旨。

图1为本发明提供的一种典型的摩擦电纳米发电机结构示意图；

图2为本发明提供的一种典型的摩擦电纳米发电机的俯视图；

图3为本发明提供的一种典型的超声和声波探测仪结构示意图。

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。

图1所示的是本发明提供的摩擦电纳米发电机的一种典型结构：表面具有导电性质的导电内芯101处于探测仪的中心，在其外侧面围绕有封闭的柔性外膜，所述柔性外膜由内向外依次是聚合物层102、电极层103和绝缘防腐层104，所述导电内芯101和电极层103通过导线与电压表107相连，从而构成本发明的摩擦电纳米发电机。由于聚合物层102与导电内芯101外表面材料的摩擦电性质不同，二者之间存在得电子能力的差异，聚合物层102得电子能力强而导电内芯101的外表面则更容易失去电子，因此当超声波或声波传递到柔性外膜时，外膜或外膜的某些部分会发生前后往复的机械振动，从而带动聚合物层102或聚合物层102的某些部分与导电内芯101之间保持“接触”与“分开”的不断变化的接触状态，使聚合物层102表面带有负电荷，而导电内芯101外表面则带正电荷，聚合物层102将负电荷转移给电极层103，使得导电内芯101和电极层103之间产生瞬态电压，从而将声波或超声波转变为电能实现对外的瞬态电压信号输出。其中，柔性外膜发生机械振动的强度与超声波和声波的强度呈正相关，振动频率与超声波和声波的频率相同，所以可以通过获得的电压信号得知超声波或声波的强度和频率。

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，高分子材料聚对二甲基硅氧烷（PDMS）与金属材料铝箔接触时铝箔带正电，即得电子能力较弱，聚对二甲基硅氧烷（PDMS）带负电，即得电子能力较强

以下聚合物材料均可用于本发明的聚合物层102中，并且按照排列的顺序具有越来越强的得电子能力：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从人们参考，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，当聚合物层102的材料与导电内芯101的材料得电子能力相差越大时，纳米发电机输出的电信号越强，所以，可以根据需要探测的超声波或声波的强度及频率，根据上面列出的顺序选择合适的聚合物材料作为聚合物层102，以获得最佳的电信号输出性能。

本发明的一个重要创新是突破了常规平板式摩擦发电机的限制，首次采 用了立式封闭外表面的结构。目前常规的摩擦电发电机都是通过平面接触的平板式发电机，这种发电机强调摩擦面的完全接触以提高电信号的输出性能，而且机械能的驱动源基本都是通过单方向施加外力而获得。在这种教导下，人们完全不会想到将摩擦电发电机设计成单方向接触面积并不大的、具有立式封闭外表面的结构，更不会想到用这种发电机来探测同时来自不同方向的振动源。而本发明则是突破了这种限制，创新性的提出了具有立式封闭外表面的结构，这种结构使整个导电内芯101的外侧面都可以与聚合物层102进行接触，从而提供了360°的全方向检测面，这对于方向难以预判的、非接触式的振动波的采集具有突出优势。同时，通过柔性外膜的使用，保证了对很微小振动的灵敏响应。

本发明的另一个重要创新是打破了原有失电子层需要基底支撑的常规思路，将失电子层、基底层和电极层合而为一，极大的简化了结构和制备工艺，节约了成本，非常有利于摩擦电纳米发电机在工业生产中的推广和应用。

为了提高发电机的灵敏度，聚合物层102的厚度尽量薄一些，而制备该薄层可采用本领域的常规方法。

为了提高摩擦电纳米发电机的输出性能，优选在所述聚合物层102面向所述导电内芯101的表面全部或部分设置纳米结构，以增加聚合物层102和导电内芯101的有效接触面积，提高二者的表面电荷密度，该纳米结构优选为纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列，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，具体微纳米结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的范围。

在聚合物层102的外侧是电极层103，电极层103可通过导线与导电内芯101连接到电压表107上，构成回路。电极层103由导电材料构成，可选自金属薄膜或铟锡氧化物薄膜，更优选金属薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜；

电极层103应该与聚合物层102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所述聚合物层102的外表面成膜；具体的沉积方法可以为磁控溅射或蒸镀。

摩擦电纳米发电机在实际使用时的工作环境也是本发明在设计时着重考虑的因素，特别是当工作环境为某些具有腐蚀性或氧化性的液体或气氛时，如果不设防护层，电极层可能很快就被破坏，导致整个发电机无法正常工作。所以，为了纳米发电机的携带方便和耐用，可以在电极层103的外侧设置绝缘防腐层104，以实现对电极层的保护。所述绝缘防腐层104的材料可以根据工作环境的不同而有针对性的选择，可以是单层，也可以是多层，各层的防腐绝缘材料可以相同，也可以不同，这些在防腐领域有很多可以借鉴的现有知识。此处以水下工作为例，优选抗氧化、防腐蚀性能较好的三氧化二铝涂层作为绝缘防腐层104。

绝缘防腐层104与电极层103之间可以接触也可以不接触，优选二者紧密接触以实现对声波或超声波振动的同步响应，可以通过粘合或沉积的方式在电极层103的外表面包覆绝缘防腐层104；所述沉积方法优选为磁控溅射。

对制备所述导电内芯101的材料没有特殊要求，只要其与聚合物层102相接触的表面具有导电性即可，具有导电性能的材料都相对容易失去电子，在与聚合物层102接触时就能够形成电荷的转移，从而产生净胜电荷，用于发电。常规的导电材料均可用于本发明，例如金属、玻碳材料、铟锡氧化物ITO导电材料以及上述材料的组合。所述的金属可以是铝、金、铜等纯金属，也可以是多种金属的合金。由于与聚合物层102接触的仅仅是导电内芯101的外表面，所以仅要求导电内芯101的外表面由导电材料构成，而对内部材料没有特殊要求。因此，所述导电内芯可以是组分均匀的一体结构，如玻碳棒、单一金属或合金棒等，也可以是基体通过包覆、沉积或镀的方法在外表面形成导电材料层的非均匀结构。为了增加所述导电内芯101与聚合物层102的接触面积，提高表面电荷密度，可以将导电内芯101外表面的部分或全部形成纳米结构，该纳米结构的位置可以与聚合物层102内表面的纳米结构相对应，也可以相互错开，二者的纳米结构可以相同也可以不同，作为优选，导电内芯101外表面的纳米结构为纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列。

在超声波或声波的作用下，只要导电内芯101与聚合物层102的接触状态发生变化，就会产生电能，使电压表输出瞬态电压信号。因此，所述导电内芯101外侧面与聚合物层102内表面之间在没有超声波或声波的作用下可以完全不接触，也可以部分接触，其中不接触部分的间距为8mm至10μm，较好为5mm至50μm，优选1mm至100μm，更优选800μm至100μm。

所述导电内芯101的立式结构需要具有上下端面和连接两个端面的封闭式外侧面，两个端面可以相互平行，也可以呈一定角度，优选两个端面平行并与外侧面的横截面积相等，更优选外侧面的纵轴与两个端面垂直，尤其是呈柱形；导电内芯101可以是实心的也可以是中空的。这些形状和结构上的变化一般是为了适应工作环境的需要，对发电机的输出性能没有实质性的影响，本领域的技术人员可以根据实际情况进行调整，而这些调整也均属于本发明的保护范围。

通过如下步骤制备上述摩擦电纳米发电机：将所述导电内芯101与所述电极层103用导线连接到电压表上，然后将所述柔性外膜围绕到所述导电内芯101的外侧面，并调整所述导电内芯与聚合物层102之间的间距，最后将所述柔性外膜进行封边处理，使之成为围绕在所述导电内芯外侧面的封闭曲面。根据需要，可以将聚合物层102、电极层103和/或绝缘防腐层104通过粘合或沉积等方式预先形成一个整体，再将其围绕在所述导电内芯101的外侧；也可以由内向外一层一层的包覆。对柔性外膜的封边处理采用常规手段即可，例如粘合处理。

图3所示的是本发明提供的超声和声波探测仪的一种典型结构：表面具有导电性质的导电内芯101处于探测仪的中心，在其外侧面围绕有封闭的柔性外膜，所述柔性外膜由内向外依次是聚合物层102、电极层103和绝缘防腐层104，所述导电内芯101和电极层103通过导线与电压表107相连，导电内芯101和柔性外膜共同形成的上下端面分别由绝缘密封盖105和106封装，从而构成本发明的超声和声波探测仪。可以看出，本发明的超声和声波探测仪的核心部件是摩擦电纳米发电机，将该纳米发电机的两端加装密封盖进行封装即成为便携、自驱动的超声和声波探测仪，可以放在任何需要的环境中实现对声波和超声波的探测。所以，前面对摩擦电纳米发电机各部件的说明均适用于本超声和声波探测仪，此处不再赘述。

但是需要说明的是，在将本发明的纳米发电机应用到对声波和超声波的检测过程中，发明人发现对于声波和超声波的常规强度而言，为了达到较好的探测效果，对聚合物层102和导电内芯101外表面不接触部分的间距控制是非常关键的因素。并非所有在震动下能够使聚合物层102和导电内芯101外表面接触的间距都能够产生出良好的输出信号，发明人通过大量实验和综合研究提出了比较好的间距范围是5mm至50μm，优选1mm至100μm，更优选800μm至100μm。这种优选范围的提出也是本发明的一个重要贡献所 在。

关于上下绝缘密封盖105和106，主要起到对纳米发电机的密封作用，使用现有技术中的绝缘密封材料即可。

采用如下方法制备本发明的超声和声波探测仪：将所述导电内芯101与所述电极层103用导线连接到电压表107上，然后将所述柔性外膜围绕到所述导电内芯101的外侧面，并调整所述导电内芯101与聚合物层102之间的间距，再将所述柔性外膜进行封边处理，使之成为围绕在所述导电内芯101外侧面的封闭曲面，最后用上绝缘密封盖105和下绝缘密封盖106对所述摩擦电纳米发电机的两端进行封装处理。

实施例1：摩擦电纳米发电机的制备

采用蒸镀法在长5cm×宽6.5cm×厚50μm的聚酰亚胺的下表面均匀镀上一层金Au薄膜，冷却后将一根导线的一端通过焊接固定在金Au薄层的外侧，实现金Au薄层与导线的连接；在该金Au薄膜表面再通过磁控溅射均匀沉积一定厚度的三氧化二铝作为绝缘防腐层，如此形成由聚酰亚胺、Au薄膜和三氧化二铝薄层构成的柔性外膜。以底面直径为2cm、高为5cm的铝圆柱体作为导电内芯，将一根导线的一端固定在导电内芯的顶端，实现导线和导电内芯的连接。将连有导线的柔性外膜以聚合物层朝向铝芯，并在铝圆柱体的立面外侧围绕一周，调整金属芯与外膜之间的缝隙约为500μm，使外膜几乎贴在金属芯上，再将柔性外膜重合的两边粘合，以形成封闭的曲面。

对发电机的柔性外膜施加外力，如揉搓或轻按，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。

实施例2：摩擦电纳米发电机的制备

采用蒸镀法在长15cm×宽6.5cm×厚10μm的聚酰亚胺的下表面均匀镀上一层铟锡氧化物（ITO）薄膜，冷却后将一根导线的一端通过焊接固定在铟锡氧化物薄层的外侧，实现铟锡氧化物薄层与导线的连接；在该铟锡氧化物薄膜表面再通过磁控溅射均匀沉积一定厚度的三氧化二铝作为绝缘防腐层，如此形成由聚酰亚胺、铟锡氧化物薄膜和三氧化二铝薄层构成的柔性外膜。以底面直径为2cm、高为15cm的玻碳棒作为导电内芯，将一根导线的一端固定在导电内芯的顶端，实现导线和导电内芯的连接。将连有导线的柔性外膜以聚合物层朝向玻碳棒，并在玻碳棒的立面外侧围绕一周，调整金属芯与外膜之间的缝隙约为7mm，使外膜几乎贴在金属芯上，再将柔性外膜重合的两边粘合，以形成封闭的曲面。

对发电机的柔性外膜施加外力，如揉搓或轻按，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。

实施例3：超声波探测仪的制备

采用蒸镀法在尺寸为长10cm×宽12.8cm×厚100μm的聚对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薄层的外侧，实现铝Al薄层与导线的连接；在该铝Al薄膜表面再通过磁控溅射均匀沉积一定厚度的三氧化二铝作为绝缘防腐层，如此形成由聚酰亚胺、铝Al薄膜和三氧化二铝薄层构成的柔性外膜。以底面直径为2cm、高为10cm的铜圆柱体作为导电内芯，将一根导线的一端固定在导电内芯的顶端，实现导线和导电内芯的连接。将连有导线的柔性外膜以聚合物层朝向铝芯，并在铜圆柱体的立面外侧围绕一周，调整金属芯与外膜之间的缝隙约为4mm，再将柔性外膜重合的两边粘合，以形成封闭的曲面。最后在纳米发电机的两端加盖绝缘密封盖，并用防水胶进行密封处理。

将本实施例的探测仪置于水下，然后在水下放入一个超声波振动源。当产生的超声波传递到外膜时，可以看到外膜发生机械振动，膜或膜的某些部分与金属芯的接触状态相应的发生变化，电压表采集到由探测器所输出的电压信号。

实施例4：声波探测仪的制备

采用溅射法在尺寸为长4cm×宽12.8cm×厚100nm的聚对二甲基硅氧烷的下表面均匀镀上一层铜Cu薄膜，冷却后将一根导线的一端通过焊接固定在铜Cu薄层的外侧，实现铜Cu薄层与导线的连接；在该铜Cu薄膜表面再通过磁控溅射均匀沉积一定厚度的三氧化二铝作为绝缘防腐层，如此形成由聚酰亚胺、铜Cu薄膜和三氧化二铝薄层构成的柔性外膜。以底面直径为2cm、高为4cm的表面镀有铟锡氧化物（ITO）的六棱柱体作为导电内芯，将一根导线的一端固定在导电内芯的顶端，实现导线和导电内芯的连接。将连有导线的柔性外膜以聚合物层朝向导电内芯，并在该六棱柱体的立面外侧围绕一周，调整金属芯与外膜之间的缝隙约为50μm，使外膜几乎贴在金属芯上，再将柔性外膜重合的两边粘合，以形成封闭的曲面。最后在纳米发电机的两端加盖绝缘密封盖，并用防水胶进行密封处理。

将本实施例的探测仪置于空气中，然后在附近放一个声波振动源。当振动源工作时，电压表采集到由探测仪输出的电压信号，表明该探测器对声波具有探测功能。

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作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 (29)

1.一种摩擦电纳米发电机，包括导电内芯和围绕在所述导电内芯外侧面形成闭合曲面的柔性外膜，其特征在于所述柔性外膜由内向外依次包括聚合物层、电极层和绝缘防腐层，所述聚合物层的厚度处于纳米尺度且其内侧与导电内芯外侧面部分不接触或完全不接触，所述聚合物层和所述导电内芯分别由具有不同摩擦电性质的物质组成，从而使所述聚合物层在与所述导电内芯接触的过程中所述聚合物层得到电子，而所述导电内芯失去电子。

2.如权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于所述聚合物层内侧与所述导电内芯外侧面不接触部分的间距保持在8mm至10μm。

3.如权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于所述聚合物层由容易得到电子的高分子聚合物材料构成。

4.如权利要求3所述的纳米发电机，其特征在于所述高分子聚合物材料选自聚酰亚胺、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、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈和聚双苯酚碳酸酯。

5.如权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于所述聚合物层面向所述导电内芯的表面上具有纳米结构。

6.如权利要求5所述的纳米发电机，其特征在于所述纳米结构包括纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花。

7.如权利要求6所述的纳米发电机，其特征在于所述纳米结构包括由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列。

8.如权利要求1-7任一项所述的纳米发电机，其特征在于所述电极层由导电薄膜构成。

9.如权利要求8所述的纳米发电机，其特征在于所述导电薄膜选自金属薄膜或铟锡氧化物薄膜。

10.如权利要求9所述的纳米发电机，其特征在于所述金属薄膜为铝膜、金膜或铜膜。

11.如权利要求9所述的纳米发电机，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。

12.如权利要求11所述的纳米发电机，其特征在于所述沉积方法为磁控溅射或蒸镀。

13.如权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于所述绝缘防腐层还具有防水功能。

14.如权利要求13所述的纳米发电机，其特征在于所述绝缘防腐层为三氧化二铝层。

15.如权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于所述绝缘防腐层通过在电极层表面沉积绝缘防腐材料而形成。

16.如权利要求15所述的纳米发电机，其特征在于所述沉积方法为磁控溅射。

17.如权利要求1-7任一项所述的纳米发电机，其特征在于所述导电内芯具有能够导电的外侧面。

18.如权利要求17所述的纳米发电机，其特征在于所述外侧面材料为金属或铟锡氧化物导电膜。

19.如权利要求17所述的纳米发电机，其特征在于所述导电内芯为玻碳棒。

20.如权利要求1-7任一项所述的纳米发电机，其特征在于所述导电内芯具有上下平行的两个端面和连接两个端面的封闭式外侧面。

21.如权利要求20所述的纳米发电机，其特征在于所述导电内芯为柱体。

22.如权利要求1-7任一项所述的纳米发电机，其特征在于所述导电内芯的外表面上有纳米结构。

23.如权利要求1-7任一项所述的纳米发电机，其特征在于所述导电内芯外侧面与聚合物层内表面之间不接触部分的间距范围为1mm至100μm。

24.如权利要求23所述的纳米发电机，其特征在于所述导电内芯外侧面与聚合物层内表面之间不接触部分的间距为800μm至100μm。

25.如权利要求1-7任一项所述的纳米发电机，其特征在于所述导电内芯和所述电极层通过导线连到电压表上。

26.一种如权利要求25所述的摩擦电纳米发电机的制备方法，其特征在于：将所述导电内芯与所述电极层用导线连接到电压表上，然后将所述柔性外膜围绕到所述导电内芯的外侧面，并调整所述导电内芯与聚合物层之间的间距，最后将所述柔性外膜进行封边处理，使之成为围绕在所述导电内芯外侧面的封闭曲面。

27.如权利要求26所述的制备方法，其特征在于所述封边处理为粘合处理。

28.一种超声和声波探测仪，其特征在于包括权利要求1-24任一项所述的摩擦电纳米发电机、绝缘密封盖和电压表，其中所述聚合物层内侧与所述导电内芯外侧面不接触部分的间距保持在5mm至50μm，所述导电内芯和所述电极层通过导线连到电压表上，所述绝缘密封盖将探测仪中除由所述绝缘防腐层覆盖之外的裸露端面进行绝缘密封。

29.一种权利要求28所述的超声和声波探测仪的制备方法，其特征在于：将所述导电内芯与所述电极层用导线连接到电压表上，然后将所述柔性外膜围绕到所述导电内芯的外侧面，并调整所述导电内芯与聚合物层之间的间距，再将所述柔性外膜进行封边处理，使之成为围绕在所述导电内芯外侧面的封闭曲面，最后用绝缘密封盖对所述摩擦电纳米发电机的两端进行封装处理。

Images