CN103859678B - 发光鞋 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种发光鞋，用以解决现有技术中的发光鞋需要频繁更换电池、且没有对走路产生的机械能加以利用的问题。该发光鞋包括：设置在所述发光鞋的鞋底部位的纳米摩擦发电机，用于将机械能转化为电能；与所述纳米摩擦发电机相连的降压变压器，用于对纳米摩擦发电机产生的电能进行降压处理；以及与所述降压变压器相连的发光器件。

Description

发光鞋

技术领域

本发明涉及电路领域，特别涉及一种发光鞋。

背景技术

随着科技的发展，发光鞋作为一种趣味性很强的高科技产品已经逐渐走进人们的生活。尤其是很多儿童发光鞋的出现，不仅为他们带来了很强的趣味性，而且发光鞋能在夜间为儿童引路，使儿童及时发现周边环境的变化，从而主动地对危险情况做出防范；同时，在黑暗中，发光鞋能够被车辆驾驶者及时发现，从而避免车祸的发生。

虽然发光鞋有很多的优点，但是，目前大多数的发光鞋一般采用电池进行供电，电池用完后就不能继续发光，对发光鞋的持续发光时间造成了很大的限制，而且，频繁更换电池既费时又麻烦。

另外，平时在走路的过程中，脚掌通过鞋子对路面产生压力，从而产生机械能。一个成年人在走路的过程中通过鞋子所产生的机械能是非常可观的（例如，可产生60瓦的能量），但是，目前的发光鞋并没有将这部分机械能利用起来，使其白白浪费掉了。

发明内容

本发明提供了一种发光鞋，用以解决现有技术中的发光鞋需要频繁更换电池、且没有对走路产生的机械能加以利用的问题。

一种发光鞋，包括：设置在所述发光鞋的鞋底部位的纳米摩擦发电机，用于将机械能转化为电能；与所述纳米摩擦发电机相连的降压变压器，用于对纳米摩擦发电机产生的电能进行降压处理；以及与所述降压变压器相连的发光器件。

本发明实施例中，通过纳米摩擦发电机将走路时产生的机械能转换为电能，由于纳米摩擦发电机产生的电能通常电压较高，因此，通过降压变压器进行降压处理后可以实现对发光鞋上的发光器件的供电，以达到发光的效果。本发明实施例中，对走路时产生的机械能进行了合理的利用，而且，不需要设置电池，省去了电池电量耗尽导致发光器件无法发光，继而更换电池的烦恼。

附图说明

图1示出了本发明实施例提供的发光鞋的整体结构示意图；

图2a示出了本发明实施例中的发光鞋内部的多个纳米摩擦发电机平铺设置时的结构示意图；

图2b示出了本发明实施例中的发光鞋内部的多个纳米摩擦发电机层叠设置时的结构示意图；

图3示出了本发明实施例提供的发光鞋的内部电路的结构示意图；

图4示出了本发明实施例提供的发光鞋在图3中的电路结构的基础上增加交直流转换器之后的结构示意图；

图5示出了图4所示的电路结构的改进结构；

图6为本发明实施例提供的发光鞋内部的纳米摩擦发电机一种具体实施方式的立体示意图；

图7为本发明图6纳米摩擦发电机的剖面示意图；

图8为本发明实施例提供的发光鞋内部的纳米摩擦发电机另一种具体实施方式的立体示意图；

图9为本发明图8纳米摩擦发电机的剖面示意图；

图10为本发明生长有氧化锌纳米线的硅基底示意图；

图11为本发明涂覆PVDF的硅基底示意图；

图12为本发明基底分离示意图；

图13为本发明实施例提供的发光鞋内部的纳米摩擦发电机又一种具体实施方式的立体示意图；

图14为本发明图14纳米摩擦发电机的剖面示意图；

图15为本发明实施例提供的发光鞋内部的纳米摩擦发电机再一种具体实施方式的立体示意图；

图16为本发明图15的纳米摩擦发电机的剖面示意图。

具体实施方式

为充分了解本发明之目的、特征及功效，借由下述具体的实施方式，对本发明做详细说明,但本发明并不仅仅限于此。

本发明提供了一种发光鞋，用以解决现有技术中的发光鞋需要频繁更换电池、且没有对走路产生的机械能加以利用的问题。

图1示出了本发明实施例提供的发光鞋的整体结构示意图，包括：设置在所述发光鞋的鞋底部位的纳米摩擦发电机61，用于将机械能转化为电能；与所述纳米摩擦发电机61相连的降压变压器62，用于对纳米摩擦发电机61产生的电能进行降压处理；以及与所述降压变压器62相连的发光器件（图中未示出）。

下面先介绍一下图1中各个部分的位置关系：具体地，上述发光器件的位置可以根据需要进行灵活设计，例如，可以将发光器件设置在发光鞋的鞋底外侧、鞋帮侧面，鞋子前端或后端等。发光器件的数量可以是一个或多个，当发光器件为多个时，多个发光器件之间可以串联也可以并联，串联连接的电路比较简单，能保障通过LED的电流的恒定性，从而使LED的亮度比较统一；并联连接的电路可靠性较高，具体设计时可根据需要选择合适的连接方式。本发明实施例中对发光器件的类型不做限定，只要能够实现发光功能即可，例如，可以选用普通LED发光二极管、高亮度LED发光二极管、超高亮度LED发光二极管等发光元件。

下面再介绍一下纳米摩擦发电机和降压变压器的位置关系。为了便于放置纳米摩擦发电机和降压变压器，可以在鞋底内部设置一个或多个空腔，将纳米摩擦发电机和降压变压器放入空腔内。在图1所示的发光鞋中，分别在鞋底的脚掌和脚底部位放置了两处纳米摩擦发电机，由于在走路时，脚掌和脚底部位与地面的接触更加充分，因此，这样的设置方式能够提高发电效率。另外，在图1中，将降压变压器设置在了鞋底的脚心部位，由于足弓的存在，导致脚心部位与地面之间往往会有少许空隙，因此，将降压变压器设置在脚心部位，可以在走路时将降压变压器对穿着者的影响降到最低。

图1所示的纳米摩擦发电机和降压变压器的位置只是示意性的，本领域技术人员也可以根据实际需要，将纳米摩擦发电机和降压变压器设置在发光鞋的其他位置上。

另外，为了提高发电效率，该发光鞋中的纳米摩擦发电机的数量可以为多个，多个纳米摩擦发电机通过串联或并联方式连接，以增大输出的电流或电压。具体地，当纳米摩擦发电机的数量为多个时，多个纳米摩擦发电机可以通过平铺方式设置，也可以通过层叠方式设置。

当多个纳米摩擦发电机通过平铺方式设置时，如图2a所示。在图2a中，多个纳米摩擦发电机中的每一个纳米摩擦发电机所占用的面积比较小，因而可以在同一水平面内以平铺方式设置多个纳米摩擦发电机，例如，在图2a中，在脚底部位设置了九个纳米摩擦发电机，这九个纳米摩擦发电机分为三行三列进行设置。采用平铺方式进行设置时，由于多个纳米摩擦发电机均位于同一水平面内，不会显著增加鞋底的厚度，因此，发光鞋的厚度与普通鞋相差不大，更加适合一般用户的需求。

当多个纳米摩擦发电机通过层叠方式设置时，如图2b所示。在图2b中，多个纳米摩擦发电机中的每一个纳米摩擦发电机所占用的面积相同。并且，与图2b中的方式相比，图2b中的每个纳米摩擦发电机所占用的面积通常较大，且各个纳米摩擦发电机层叠设置，即不同层的纳米摩擦发电机位于同一竖直方向上，但分别处于不同的水平面内。采用层叠方式进行设置时，由于多个纳米摩擦发电机均位于同一竖直方向上，会显著增加鞋底的厚度，因此，发光鞋的厚度与普通鞋相比通常更厚，适合于特殊用户（例如喜欢穿厚底鞋的用户）的需求。另外，当多个纳米摩擦发电机通过层叠方式设置时，为了避免各个发电机之间相互影响，还可以在两层发电机之间设置能起到支撑作用的绝缘支撑层。

介绍完图1中各个部分的位置关系之后，接下来介绍一下图1内部的电路结构。如图3所示，图1所示的发光鞋的内部电路包括纳米摩擦发电机61、降压变压器62以及发光器件63。其中，纳米摩擦发电机61为高功率的纳米摩擦发电机，关于该高功率的纳米摩擦发电机的具体结构将在后面单独进行详细地描述。降压变压器62的输入端与纳米摩擦发电机61的输出端相连，用于对纳米摩擦发电机61产生的电能进行降压处理，由于纳米摩擦发电机61为高功率的纳米摩擦发电机，因此，产生的电能的电压通常比较高，因此，需要由降压变压器62进行降压。降压变压器62的输出端与发光器件63相连，用于将降压处理后的交流电信号提供给发光器件63，使得发光器件实现发光的效果。

通过图3所示的电路结构，可以实现对发光器件的供电，进而实现发光照明的效果。但是，由于图3中的降压变压器输出的电信号为交流电信号，因此，当该交流电信号的频率较低时，通常会导致发光器件时亮时灭，从而出现闪烁现象。

在某些特殊情况下，发光器件的闪烁现象恰好可以满足用户的需求，例如，当该发光鞋主要用于增加儿童走路时的趣味性时，发光器件的闪烁效果恰好可以达到娱乐目的。或者，当该发光鞋主要用于使行人走夜路时能更容易地被车辆驾驶者辨别出来从而避免车祸时，发光器件的闪烁效果恰好可以达到醒目的功能。

但是，在其他的一些情况下，例如，发光鞋主要用于照明时，发光器件的闪烁现象可能会影响到照明效果。对此，可以在发光器件内部设置整流电路，以达到交直流转换的目的，从而实现发光器件的持续照明。或者，也可以在发光鞋内部额外设置一个交直流转换器，用以实现交直流转换的目的。

图4示出了在图3中的电路结构的基础上增加交直流转换器之后的结构示意图。如图4所示，交直流转换器64连接在所述降压变压器62和所述发光器件63之间，用于将降压变压器62降压处理后的交流电转换为直流电，供发光器件63发光。其中，交直流转换器64进一步包括：整流电路641、滤波电路642以及稳压电路643。其中，整流电路641用于对降压变压器62输出的交流电能进行整流，从而把大小和方向都随时间变化的交流电转变为方向不随时间变化，大小随时间变化的单相脉动直流电。滤波电路642，用于将整流电路641输出的单相脉动直流电中剩余的交流分量滤除，从而得到相对比较稳定的直流电。稳压电路643，用于对滤波电路642输出的比较稳定的直流电进一步进行稳压处理，得到恒定的电压信号,并将该恒定的电压信号提供给发光器件。具体地，整流电路、滤波电路和稳压电路的具体电路器件和参数可根据需要进行灵活地设计。

当发光鞋采用图4所示的电路结构实现时，由于增加了交直流转换器，可以将纳米摩擦发电机产生的交流电转化为直流电，从而使得纳米摩擦发电机产生的电能得到了更加高效的利用，且避免了因纳米摩擦发电机产生的电信号频率较低而导致的发光器件闪烁现象，实现了发光器件在一段时间内的持续照明，改善了夜间的照明效果。

虽然图4所示的电路结构能够实现发光器件在一段时间内的持续照明的效果，且避免了发光器件的闪烁现象。但是，在图4所示的电路结构中，并没有对纳米摩擦发电机产生的电能进行存储，因而只能在用户走动时通过纳米摩擦发电机产生电能的情况下才可以实现照明，一旦用户停止走动，静止下来之后，由于纳米摩擦发电机无法产生电能或产生的电能很小，将导致发光器件无法点亮。反过来，在图4所示的电路结构中，如果用户在白天的一些正式场合中不希望发光器件照明时，也无法主动地对发光器件进行控制，只要用户一走路就会点亮发光器件，从而为用户带来了不便。

为了解决上述问题，图5示出了图4所示的电路结构的改进结构。如图5所示，在交直流转换器64和发光器件63之间，进一步连接有储能元件65和控制开关66。其中，储能元件65的输入端与交直流转换器64的输出端相连，储能元件65的输出端与控制开关66相连，控制开关66还与发光器件63相连。

上述的储能元件65可以灵活选用锂电池、镍氢电池、超级电容等元件实现，只要能够实现储存电能的目的即可。本发明实施例中对控制开关66的具体形式不做限定，只要能够实现控制电路通断，从而实现控制发光器件亮灭的效果即可。例如，控制开关66可以是下述开关中的一种：弹簧开关、按钮开关、震动开关和声控开关。

当发光鞋采用图5所示的电路结构实现时，由于增加了储能元件和控制开关，因此，可以对纳米摩擦发电机产生的电能进行存储，这样，在用户没有走动时也可以通过储能元件中存储的电能实现对发光器件的供电，满足了用户在静止情况下的照明需要（例如可以观察路况）。另外，控制开关可以控制发光器件的亮灭，使得用户在不希望发光器件发光的情况下可以关闭发光器件。因此，当发光鞋采用图5所示的电路结构实现时，可以充分满足用户的各种需求，为用户提供了很大的便利。

除了在图5所示的电路结构中可以设置控制开关之外，也可以在图3和图4所示的电路结构中设置控制开关，以便在不需要发光器件发光时能够将其关闭。

在本发明实施例提供的发光鞋中，纳米摩擦发电机是最核心的部件，正是由于本实施例中的纳米摩擦发电机采用了高功率的纳米摩擦发电机，才得以实现对发光器件的供电。

下面详细介绍一下本发明实施例提供的发光鞋中的纳米摩擦发电机61的具体结构。

本发明实施例提供的发光鞋中的纳米摩擦发电机61是一种高功率纳米摩擦发电机，当该摩擦发电机的各层向下弯曲时，摩擦发电机中的摩擦电极层与高分子聚合物层表面相互摩擦产生静电荷，静电荷的产生会使第一电极和摩擦电极层之间的电容发生改变，从而导致第一电极和摩擦电极层之间出现电势差。由于第一电极层和摩擦电极层之间电势差的存在，自由电子将通过外电路由电势低的一侧流向电势高的一侧，从而在外电路中形成电流。当该摩擦发电机的各层恢复到原来状态时，这时形成在第一电极层和摩擦电极层之间的内电势消失，此时已平衡的第一电极层和摩擦电极层之间将再次产生反向的电势差，则自由电子通过外电路形成反向电流。通过反复摩擦和恢复，就可以在外电路中形成周期性的交流电信号。

本发明的发光鞋中的纳米摩擦发电机采用具有多个纳米孔的高分子聚合物层与摩擦电极层进行摩擦，由于设置的纳米孔使得高分子聚合物层表面粗糙度增加，增加了摩擦电量；另外，每一个纳米孔相当于一个微型电容，能够起到存储电荷的作用，避免了摩擦电在瞬间释放，从而增加了第一电极层和摩擦电极层之间的电势差，电压和电流输出高，实现了摩擦发电机的高能量输出。

如图6和7所示，本发明一种具体实施方式的高功率纳米摩擦发电机，包括依次层叠设置的第一电极层1，高分子聚合物层2，以及摩擦电极层3；高分子聚合物层2的相对摩擦电极层3的面上设有多个纳米孔4；其中，摩擦电极层3包括摩擦薄膜层31和第二电极层32，所述摩擦薄膜层31相对高分子聚合物层2设置。所述高分子聚合物绝缘层2与摩擦薄膜层31的相对表面接触摩擦，并在第一电极层1和第二电极层32处感应出电荷；所述第一电极层1和第二电极层32为摩擦发电机的电压和电流输出电极，即摩擦发电机的输出端。

第一电极层1和第二电极层32对所用材料没有特殊规定，能够形成导电层的材料都在本发明的保护范围之内，例如是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。本发明优选的第一电极层1和第二电极层32材料是铜或铝，厚度为0.05-0.2mm。

在本实施方式中，高分子聚合物层2所用材料是聚偏氟乙烯（PVDF），其厚度为0.5-1.2mm（优选1mm），且其相对摩擦电极层3的面上设有多个纳米孔4。每个纳米孔4的尺寸，即宽度和深度，可以根据应用的需要进行选择，优选的纳米孔4的尺寸为：宽度为10-100nm以及深度为4-50μm。这些多个纳米孔4可以均匀也可以不均匀的分布在摩擦电极层3的面上，优选纳米孔4均匀的分布在摩擦电极层3的面上，纳米孔4的数量可以根据需要的输出电流值和电压值进行调整，优选的这些多个纳米孔4是孔间距为2-30μm的均匀分布，更优选的平均孔间距为9μm的均匀分布。

摩擦薄膜层31所用材料可以是纤维薄膜（纸）或聚氯乙烯（PVC）等，厚度为0.2-1.5mm。摩擦薄膜层31所用材料优选铜版纸或牛皮纸等，市售的各种规格的铜版纸或牛皮纸均可应用于本发明，更优选的是规格100-250g/m2的铜版纸和规格80～120g/m2的牛皮纸。采用纤维薄膜（纸）作为摩擦薄膜层31，使得整个摩擦发电机的成本得到了极大的降低。

根据发明人的研究发现，要提高纳米摩擦发电机的能量输出，相互接触的摩擦层的两种材料的配对是一种非常重要的影响因素。例如，纸与聚偏氟乙烯薄膜（PVDF）摩擦时，输出的功率和电压高。

如图8和9所示，本发明另一种具体实施方式的高功率纳米摩擦发电机，包括依次层叠设置的第一电极层1，高分子聚合物层2，以及摩擦电极层3；高分子聚合物层2的相对摩擦电极层3的面上设有多个纳米孔4。所述高分子聚合物绝缘层2与摩擦电极层3的相对表面接触摩擦，并在第一电极层1和摩擦电极层3处感应出电荷；所述第一电极层1和摩擦电极层3为摩擦发电机的电压和电流输出电极。

第一电极层1对所用材料没有特殊规定，能够形成导电层的材料都在本发明的保护范围之内，例如是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。本发明优选的第一电极层1材料是铜或铝，厚度为0.05-0.2mm。

在本实施方式中，高分子聚合物层2所用材料是聚偏氟乙烯（PVDF），其厚度为0.5-1.2mm（优选1.0mm），且其相对摩擦电极层3的面上设有多个纳米孔4。其中，每个纳米孔4的尺寸，即宽度和深度，可以根据应用的需要进行选择，优选的纳米孔4的尺寸为：宽度为10-100nm以及深度为4-50μm。这些多个纳米孔4可以均匀也可以不均匀的分布在摩擦电极层3的面上，优选纳米孔4均匀的分布在摩擦电极层3的面上，纳米孔4的数量可以根据需要的输出电流值和电压值进行调整，优选的这些多个纳米孔4是孔间距为2-30μm的均匀分布，更优选的平均孔间距为9μm的均匀分布。

根据发明人的研究发现，金属与高分子聚合物摩擦，金属更易失去电子，因此采用金属电极与高分子聚合物摩擦也能提高能量输出。因此，优选的摩擦电极层3所用材料是金属或合金，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨或钒；合金是铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金，更优选的摩擦电极层3材料是铜或铝，厚度为0.05-0.2mm。

下面详细说明上述高功率纳米摩擦发电机的制备方法。该方法包括如下步骤：

（1）制备具有纳米线的基底

在基底的一个表面上垂直生长氧化锌纳米线，得到具有纳米线的基底。

本发明可以使用的基底可以是硅基底，镀金或镀铬的玻璃基底等。

本发明采用常规水热法生长氧化锌纳米线阵列，例如采用环六亚甲基四胺（HMTA）和硝酸锌六水合物（ZnNO3·6(H2O)）的混合物作为培养液，在适当的温度例如80-95℃下，在硅基底上生长氧化锌纳米线阵列。具体的，在一个具体实施方式中，采用常规喷射溅镀在硅基底的一个面上生成一个厚度30-50nm的氧化锌种子层。采用0.1mol/L浓度的由等摩尔的环六亚甲基四胺（HMTA）和硝酸锌六水合物（ZnNO3·6(H2O)）组成的培养液，将硅基底的生成有氧化锌种子层的面朝下，放在培养液顶部，在85℃下在机械对流加热炉（型号：YamatoDKN400，加利福尼亚，圣克拉拉）中生长，用去离子水冲洗生长有氧化锌纳米线的硅基底并在空气中干燥，得到氧化锌纳米线阵列。本发明对氧化锌纳米线的断面形状没有特殊要求，规则矩形、六边形、圆形或正方形等均可以应用于本发明。如图10所示，是生长有圆形断面的氧化锌纳米线的硅基底的示意图。应当理解的是，本领域技术人员容易根据需要的氧化锌纳米线的宽度，深度以及间距，调整纳米氧化锌线的生长工艺条件，例如培养液浓度，生长温度和时间，使得所得氧化锌纳米线阵列优选的均匀分布，且满足使用要求，例如延长生长时间改变氧化锌纳米线的宽度和长度。

（2）制备具有纳米孔的高分子聚合物薄膜

将聚合物材料的溶液涂覆于生长有氧化锌纳米线的基底上，固化成高分子聚合物膜，然后分离基底，去除氧化锌纳米线，得到具有纳米孔的高分子聚合物薄膜。

本发明所述固化是指：将聚合物材料溶液中的溶剂挥发掉，形成聚合物薄膜。常规干燥，加热蒸发（例如水浴加热）的方法均可以应用于本发明。

具体的，将PVDF用二甲基甲酰胺（DMF）溶解PVDF，然后超声处理，直至PVDF全部溶解；将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆均匀地直接涂覆在步骤（1）制备的硅基底表面，涂覆完毕后真空干燥。图11所示是涂覆有聚合物材料的硅基底（生长有氧化锌纳米线）示意图。

干燥后，将硅基底移除，图12所示是基底分离示意图。然后采用酸蚀刻法将氧化锌纳米线酸蚀掉，具体的，采用稀盐酸、稀硫酸或稀硝酸等常规无机酸，将氧化锌纳米线腐蚀掉，得到具有多个纳米孔的高分子聚合物薄膜。

（3）制成纳米摩擦发电机

将步骤（2）所得的具有纳米孔的高分子聚合物薄膜作为高分子聚合物层，依次层叠设置第一电极层1，高分子聚合物层2，以及摩擦电极层3，得到纳米摩擦发电机。将该摩擦发电机的边缘用普通胶布密封。

可以采用常规现有技术在高分子聚合物层2上设置第一电极层1，例如在高分子聚合物层2上粘贴第一电极层1，或者通过化学沉积或物理沉积的方法（例如射频溅镀，蒸镀等方法）在高分子聚合物层2上沉积第一电极层1。

当摩擦电极层3包括层叠设置的摩擦薄膜层31和第二电极层32时，在摩擦薄膜层31上设置第二电极层32的方法也可以是粘贴，化学沉积或物理沉积等方法。

根据纳米摩擦发电机的工作原理,在发电机工作的过程中，两个摩擦面需要不断的接触摩擦和分离，而一直处于接触状态或者分离状态时，发电机则不能具有很好的输出性能。因此，为了能够制作出性能优异的发电机，发明人对发电机的结构进行了改进。如图13和14所示的拱形的高功率纳米摩擦发电机，包括依次层叠设置的第一电极层1，高分子聚合物层2，以及摩擦电极层3；高分子聚合物层2的相对摩擦电极层的面上设有多个纳米孔4；摩擦电极层3包括摩擦薄膜层31和第二电极层32，所述摩擦薄膜层31相对高分子聚合物层2设置。其中，所述摩擦电极层3作为一个整体相对高分子聚合物层2向外拱起形成凸面，并在摩擦电极层3与高分子聚合物层2之间形成间隙，使两个摩擦面在不受力的情况下能够自动弹起。除摩擦电极层3形成凸面外，图13和14所示的高功率纳米摩擦发电机的各层结构与图6所示的高功率纳米摩擦发电机相同，因此第一电极层1，高分子聚合物层2，摩擦电极层3以及纳米孔4各层的适用选择可以参考上文，这里不再赘述。

如图15和16所示的拱形结构高功率纳米摩擦发电机，其包括依次层叠设置的第一电极层1，高分子聚合物层2，以及摩擦电极层3；高分子聚合物层2的相对摩擦电极层的面上设有多个纳米孔4。其中，所述摩擦电极层3相对高分子聚合物层2向外拱起形成凸面，并在摩擦电极层3与高分子聚合物层2之间形成间隙，使两个摩擦面在不受力的情况下能够自动弹起。图15和16所示的高功率纳米摩擦发电机的各层结构与图8所示的高功率纳米摩擦发电机相同，因此第一电极层1，高分子聚合物层2，摩擦电极层3以及纳米孔4各层的适用选择可以参考上文，这里不再赘述。

虽然上文仅示例性描述了摩擦电极层3向外拱起的拱形的高功率纳米摩擦发电机，应当理解的是，基于本发明的优选实施方式，本领域技术人员根据很容易实现高分子聚合物层2相对摩擦电极层3向外拱起形成凸面，并在摩擦电极层3与高分子聚合物层2之间形成间隙，使两个摩擦面在不受力的情况下能够自动弹起。因此，本发明的保护范围是摩擦电极层和高分子聚合物层中的至少一个向外拱起形成凸面，使得摩擦电极层与高分子聚合物层之间形成间隙。在一个具体实施方式中，依照高分子聚合物层2与摩擦电极层3的长度比为21:20或20：21，得到了拱形的高功率纳米摩擦发电机。

下面详细说明拱形结构高功率纳米摩擦发电机的制备方法，步骤（1）制备具有纳米线的基底与步骤制备具有纳米孔的高分子聚合物薄膜（2）与上文所述相同，这里不再赘述，下面仅详细说明步骤（3）：

a.将第一电极层1设置到高分子聚合物层2上，形成第一电极层1-高分子聚合物层2的层叠体。

b.将摩擦电极层3放置到步骤a所得层叠体的高分子聚合物层2上，并且将所述层叠体与摩擦电极层3的一端固定。

具体的，例如所述层叠体与摩擦电极层3是矩形时，采用胶布粘贴或者热封的方法将层叠体与摩擦电极层3的短边端中的其中一个固定。

c.将摩擦电极层3拱起，然后将层叠体与摩擦电极层3的固定端的相对端进行固定。

具体的，例如所述层叠体与摩擦电极层3是矩形时，将层叠体与摩擦电极层3的另一个短边端固定。

下面通过具体的实施例来阐述本发明提供的发光鞋中的纳米摩擦发电机的方法的实施，本领域技术人员应当理解的是，这不应被理解为对本发明权利要求范围的限制。

实施例1

如图6和7所示，本实施例高功率纳米摩擦发电机尺寸为4.5cm（长度）×1.2cm（宽度），其包括依次层叠设置的第一电极层1（0.1mm厚的铝层），高分子聚合物层2（1mm厚的聚偏氟乙烯），以及摩擦电极层3。摩擦电极层3包括摩擦薄膜层31（1.0mm厚的铜版纸（规格200g/m²））和第二电极层32（0.1mm厚的铜层），所述摩擦薄膜层31相对高分子聚合物层2设置。高分子聚合物层2的相对摩擦电极层3的面上设有多个纳米孔4（宽度约为60nm，深度约为8μm，以及孔间距平均为9μm）。所述第一电极层1和第二电极层32为摩擦发电机的电压和电流输出电极。

下面详细说明该高功率纳米摩擦发电机的制备方法。

（1）制备具有纳米线的基底

采用常规喷射溅镀在硅基底的一个面上生成厚度40nm的氧化锌种子层。采用0.1mol/L浓度的由等摩尔的环六亚甲基四胺（HMTA）和硝酸锌六水合物（ZnNO₃·6(H₂O)）组成的培养液，将硅基底的生成有氧化锌种子层的面朝下，放在培养液顶部，在85℃下在机械对流加热炉（型号：YamatoDKN400，加利福尼亚，圣克拉拉）中生长6小时，用去离子水冲洗生长有氧化锌纳米线的硅基底并在空气中干燥，得到的氧化锌纳米线阵列。

（2）制备具有纳米孔的高分子聚合物薄膜

将PVDF放入烧杯中，然后将二甲基甲酰胺（DMF）加入到烧杯中溶解PVDF，得到浓度11.7wt%的PVDF溶液。然后将烧杯用保鲜膜封住，超声处理30min，PVDF全部溶解，然后待用。

将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆均匀地直接涂覆在步骤（1）制备的硅基底的生长有纳米氧化锌线的表面，涂覆完毕后在80℃进行真空干燥。

干燥完成后，将硅基底移除。然后采用浓度3wt%的稀盐酸将氧化锌纳米线酸蚀掉，得到PVDF聚合物薄膜，其中该薄膜一个表面上具有的纳米孔为：宽度约为60nm，深度约为8μm，以及孔间距平均为9μm。

（3）制成纳米摩擦发电机

将步骤（2）所得的具有纳米孔的高分子聚合物薄膜作为高分子聚合物层，将0.1mm厚的铝层粘贴在高分子聚合物层2上，得到第一电极层1-高分子聚合物层2的层叠体；将0.1mm厚的铜层粘贴在铜版纸上，得到摩擦电极层3。按照高分子聚合物层2相对铜版纸，将摩擦电极层3放置到上述层叠体上，然后边缘用普通胶布密封，得到纳米摩擦发电机1#。

该摩擦发电机1#在I-V（电流-电压）的测量中表现出典型的开路特征。使用周期振荡（0.33Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机1#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机1#的最大输出电压和电流信号分别达到了800V和750μA。

实施例2-3

实施例2和3采用与实施例1基本相同的方法进行制备，不同之处列于下表：

表1

使用周期振荡（0.33Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机2#和3#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机2#的最大输出电压和电流信号分别达到了900V和850μA，摩擦发电机3#的最大输出电压和电流信号分别达到了680V和450μA。

实施例4聚合物与金属摩擦，非拱形

如图8和9所示，本实施例高功率纳米摩擦发电机尺寸为4.5cm（长度）×1.2cm（宽度），其包括依次层叠设置的第一电极层1（0.1mm厚的铝层），高分子聚合物层2（1mm厚的聚偏氟乙烯），以及摩擦电极层3（0.1mm厚的铜层）。高分子聚合物层2的相对摩擦电极层3的面上设有多个纳米孔4（宽度约为60nm，深度约为8μm，以及平均孔间距为9μm）。所述第一电极层1和摩擦电极层3为摩擦发电机的电压和电流输出电极。

下面详细说明该高功率纳米摩擦发电机的制备方法。

（1）制备具有纳米线的基底

采用常规喷射溅镀在硅基底的一个面上生成厚度40nm的氧化锌种子层。采用0.1mol/L浓度的由等摩尔的环六亚甲基四胺（HMTA）和硝酸锌六水合物（ZnNO₃·6(H₂O)）组成的培养液，将硅基底的生成有氧化锌种子层的面朝下，放在培养液顶部，在85℃下在机械对流加热炉（型号：YamatoDKN400，加利福尼亚，圣克拉拉）中生长6小时，用去离子水冲洗生长有氧化锌纳米线的硅基底并在空气中干燥，得到的氧化锌纳米线阵列。

（2）制备具有纳米孔的高分子聚合物薄膜

将PVDF放入烧杯中，然后将二甲基甲酰胺（DMF）加入到烧杯中溶解PVDF，得到浓度11.7wt%的PVDF溶液。然后将烧杯用保鲜膜封住，超声处理30min，PVDF全部溶解，然后待用。

将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆均匀地直接涂覆在步骤（1）制备的硅基底的生长有纳米氧化锌线的表面，涂覆完毕后在80℃进行真空干燥。

干燥完成后，将硅基底移除。然后采用浓度3wt%的稀硫酸将氧化锌纳米线酸蚀掉，得到PVDF聚合物薄膜，其中该薄膜一个表面上具有的纳米孔为：宽度约为60nm，深度约为8μm，以及平均孔间距为9μm。

（3）制成纳米摩擦发电机

将步骤（2）所得的具有纳米孔的高分子聚合物薄膜作为高分子聚合物层，将0.1mm厚的铝层粘贴在高分子聚合物层2上，得到第一电极层1-高分子聚合物层2的层叠体。按照高分子聚合物层2相对摩擦电极层3，将摩擦电极层3放置到上述层叠体上，然后边缘用普通胶布密封，得到纳米摩擦发电机4#。

该摩擦发电机4#在I-V（电流-电压）的测量中表现出典型的开路特征。使用周期振荡（0.33Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机4#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机4#的最大输出电压和电流信号分别达到了120V和90μA。

实施例5-6

实施例5和6采用与实施例4基本相同的方法进行制备，不同之处列于下表：

表2

使用周期振荡（0.33Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机5#和6#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机5#的最大输出电压和电流信号分别达到了280V和1750μA，摩擦发电机6#的最大输出电压和电流信号分别达到了226V和162μA。

实施例7

如图13和14所示，本实施例高功率纳米摩擦发电机尺寸为4.5cm（长度）×1.2cm（宽度），其包括依次层叠设置的第一电极层1（0.1mm厚的铝层），高分子聚合物层2（1mm厚的聚偏氟乙烯），以及摩擦电极层3。摩擦电极层3包括摩擦薄膜层31（1.0mm厚的铜版纸（规格200g/m²）和第二电极层32（0.1mm厚的铜层），所述摩擦薄膜层31相对高分子聚合物层2设置。高分子聚合物层2的相对摩擦电极层3的面上设有多个纳米孔4（宽度约为60nm，深度约为8μm，以及平均孔间距为9μm）。所述第一电极层1和第二电极层32为摩擦发电机的电压和电流输出电极。所述摩擦电极层3作为一个整体相对高分子聚合物层2向外拱起形成凸面，并在摩擦电极层3与高分子聚合物层2之间形成间隙，使两个摩擦面在不受力的情况下能够自动弹起。

下面详细说明该拱形结构高功率纳米摩擦发电机的制备方法。

（1）制备具有纳米线的基底

采用常规喷射溅镀在硅基底的一个面上生成厚度40nm的氧化锌种子层。采用0.1mol/L浓度的由等摩尔的环六亚甲基四胺（HMTA）和硝酸锌六水合物（ZnNO₃·6(H₂O)）组成的培养液，将硅基底的生成有氧化锌种子层的面朝下，放在培养液顶部，在85℃下在机械对流加热炉（型号：YamatoDKN400，加利福尼亚，圣克拉拉）中生长6小时，用去离子水冲洗生长有氧化锌纳米线的硅基底并在空气中干燥，得到的氧化锌纳米线阵列。

（2）制备具有纳米孔的高分子聚合物薄膜

将PVDF放入烧杯中，然后将二甲基甲酰胺（DMF）加入到烧杯中溶解PVDF，得到浓度11.7wt%的PVDF溶液。然后将烧杯用保鲜膜封住，超声处理30min，PVDF全部溶解，然后待用。

将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆均匀地直接涂覆在步骤（1）制备的硅基底的生长有纳米氧化锌线的表面，涂覆完毕后在80℃进行真空干燥。

干燥完成后，将硅基底移除。然后采用浓度3wt%的稀盐酸将氧化锌纳米线酸蚀掉，得到PVDF聚合物薄膜，其中该薄膜一个表面上具有的纳米孔为：宽度约为60nm，深度约为8μm，以及平均孔间距为9μm。

（3）制成纳米摩擦发电机

将步骤（2）所得的具有纳米孔的高分子聚合物薄膜作为高分子聚合物层，将0.1mm厚的铝层粘贴在高分子聚合物层2上，得到第一电极层1-高分子聚合物层2的层叠体；将0.1mm厚的铜层粘贴在铜版纸上，得到摩擦电极层3。

依照摩擦电极层3与高分子聚合物层2的长度比为21:20，将摩擦电极层3放置到层叠体的高分子聚合物层2上，并将它们的一个短边端对齐，采用常规热封的方法将该对齐的短边端固定。将摩擦电极层3拱起，然后将层叠体与摩擦电极层3的短边端中的另一个进行固定，得到纳米摩擦发电机7#。

该摩擦发电机7#在I-V（电流-电压）的测量中表现出典型的开路特征。使用周期振荡（0.33Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机7#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机7#的最大输出电压和电流信号分别达到了1020V和840μA。

实施例8

如图8和9所示，本实施例高功率纳米摩擦发电机尺寸为4.5cm（长度）×1.2cm（宽度），其包括依次层叠设置的第一电极层1（0.1mm厚的铝层），高分子聚合物层2（1mm厚的聚偏氟乙烯），以及摩擦电极层3（0.1mm厚的铜层）。高分子聚合物层2的相对摩擦电极层3的面上设有多个纳米孔4（宽度约为60nm，深度约为8μm，以及平均孔间距为9μm）。所述第一电极层1和摩擦电极层3为摩擦发电机的电压和电流输出电极。所述摩擦电极层3相对高分子聚合物层2向外拱起形成凸面，并在摩擦电极层3与高分子聚合物层2之间形成间隙，使两个摩擦面在不受力的情况下能够自动弹起。

下面详细说明该高功率纳米摩擦发电机的制备方法。

（1）制备具有纳米线的基底

采用常规喷射溅镀在硅基底的一个面上生成厚度40nm的氧化锌种子层。采用0.1mol/L浓度的由等摩尔的环六亚甲基四胺（HMTA）和硝酸锌六水合物（ZnNO₃·6(H₂O)）组成的培养液，将硅基底的生成有氧化锌种子层的面朝下，放在培养液顶部，在85℃下在机械对流加热炉（型号：YamatoDKN400，加利福尼亚，圣克拉拉）中生长6小时，用去离子水冲洗生长有氧化锌纳米线的硅基底并在空气中干燥，得到的氧化锌纳米线阵列。

（2）制备具有纳米孔的高分子聚合物薄膜

将PVDF放入烧杯中，然后将二甲基甲酰胺（DMF）加入到烧杯中溶解PVDF，得到浓度11.7wt%的PVDF溶液。然后将烧杯用保鲜膜封住，超声处理30min，PVDF全部溶解，然后待用。

将上述配好的PVDF溶液通过旋转涂覆均匀地直接涂覆在步骤（1）制备的硅基底的生长有纳米氧化锌线的表面，涂覆完毕后在80℃进行真空干燥。

干燥完成后，将硅基底移除。然后采用浓度3wt%的稀硫酸将氧化锌纳米线酸蚀掉，得到PVDF聚合物薄膜，其中该薄膜一个表面上具有的纳米孔为：宽度约为60nm，深度约为8μm，以及平均孔间距为9μm。

（3）制成纳米摩擦发电机

将步骤（2）所得的具有纳米孔的高分子聚合物薄膜作为高分子聚合物层，将0.1mm厚的铝层粘贴在高分子聚合物层2上，得到第一电极层1-高分子聚合物层2的层叠体。

依照摩擦电极层3与高分子聚合物层2的长度比为21:20，将摩擦电极层3放置到层叠体的高分子聚合物层2上，并将它们的一个短边端对齐，采用常规热封的方法将该对齐的短边端固定。将摩擦电极层3拱起，然后将层叠体与摩擦电极层3的另一个短边端固定，得到纳米摩擦发电机8#。

该摩擦发电机8#在I-V（电流-电压）的测量中表现出典型的开路特征。使用周期振荡（0.33Hz和0.13%的形变）的步进电机使摩擦发电机8#发生周期的弯曲和释放，摩擦发电机8#的最大输出电压和电流信号分别达到了360V和205μA。

本发明实施例提供的发光鞋内部的纳米摩擦发电机可以通过上面结合图6至图16描述的各种方式实现。

本发明实施例中，通过纳米摩擦发电机将走路时产生的机械能转换为电能，由于纳米摩擦发电机产生的电能通常电压较高，因此，通过降压变压器进行降压处理后可以实现对发光鞋上的发光器件的供电，以达到发光的效果。本发明实施例中，对走路时产生的机械能进行了合理的利用，能够实现发光鞋的自给供电。而且，不需要设置电池，省去了电池电量耗尽导致发光器件无法发光，继而更换电池的烦恼。另外，由于不需要使用电池，因此，本发明实施例中的发光鞋也更加环保。

另外，以上述的实施例7中提到的尺寸为4.5cm（长度）×1.2cm（宽度）的纳米摩擦发电机为例来说，其最大输出电压和电流信号分别达到了1020V和840μA。由此可见，每一平方厘米的鞋面内所设置的纳米摩擦发电机的发电量接近于0.2瓦，因此，鞋内部署的纳米摩擦发电机在长时间地走路过程中可以产生大量的电能，从而完全可以满足发光器件的照明需求。

本领域技术人员可以理解，虽然上述说明中，为便于理解，对方法的步骤采用了顺序性描述，但是应当指出，对于上述步骤的顺序并不作严格限制。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

还可以理解的是，附图或实施例中所示的装置结构仅仅是示意性的，表示逻辑结构。其中作为分离部件显示的模块可能是或者可能不是物理上分开的，作为模块显示的部件可能是或者可能不是物理模块。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (17)

1.一种发光鞋，其特征在于，包括：

设置在所述发光鞋的鞋底部位的纳米摩擦发电机，用于将机械能转化为电能；

与所述纳米摩擦发电机相连的降压变压器，用于对纳米摩擦发电机产生的电能进行降压处理；以及

与所述降压变压器相连的发光器件；

其中，所述纳米摩擦发电机包括：依次层叠设置的第一电极层，高分子聚合物层，以及摩擦电极层；高分子聚合物层的相对摩擦电极层的面上设有多个纳米孔；所述第一电极层和摩擦电极层为摩擦发电机的电压和电流输出电极。

2.如权利要求1所述的发光鞋，其特征在于，还包括：

连接在所述降压变压器和所述发光器件之间的交直流转换器，用于将降压变压器降压处理后的交流电转换为直流电，供发光器件发光。

3.如权利要求2所述的发光鞋，其特征在于，所述交直流转换器包括：

整流电路、与所述整流电路相连的滤波电路、以及与所述滤波电路相连的稳压电路。

4.如权利要求2所述的发光鞋，其特征在于，还包括：连接在所述交直流转换器和所述发光器件之间的储能元件和控制开关，其中，

所述储能元件的输入端与所述交直流转换器的输出端相连，所述储能元件的输出端与所述控制开关相连，所述控制开关还与所述发光器件相连。

5.如权利要求4所述的发光鞋，其特征在于，所述控制开关为下述开关中的一种：弹簧开关、按钮开关、震动开关和声控开关。

6.如权利要求1所述的发光鞋，其特征在于，所述纳米摩擦发电机为多个并联连接的纳米摩擦发电机，其中，所述多个并联连接的纳米摩擦发电机通过平铺方式或层叠方式设置。

7.根据权利要求1所述的发光鞋，其特征在于，所述高分子聚合物层所用材料是聚偏氟乙烯。

8.根据权利要求1所述的发光鞋，其特征在于，所述高分子聚合物层表面上设置的纳米孔宽度为10-100nm以及深度为4-50μm。

9.根据权利要求1所述的发光鞋，其特征在于，所述摩擦电极层所用材料为金属，厚度为0.05-0.2mm。

10.根据权利要求9所述的发光鞋，其特征在于，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨、钒、铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。

11.根据权利要求9所述的发光鞋，其特征在于，所述摩擦电极层所用材料为铜或铝。

12.根据权利要求1-11任一项所述的发光鞋，其特征在于，所述摩擦电极层包括层叠设置的摩擦薄膜层和第二电极层，所述摩擦薄膜层相对高分子聚合物层设置。

13.根据权利要求12所述的发光鞋，其特征在于，所述摩擦薄膜层所用材料是纤维薄膜或聚氯乙烯；所述第二电极层所用材料选自铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜或金属。

14.根据权利要求13所述的发光鞋，其特征在于，所述摩擦薄膜层所用材料是铜版纸或牛皮纸；当所述第二电极层所用材料为金属时，所述金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨、钒、铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。

15.根据权利要求1所述的发光鞋，其特征在于，所述摩擦电极层和高分子聚合物层中的至少一个向外拱起形成凸面，使得摩擦电极层与高分子聚合物层之间形成间隙。

16.根据权利要求1所述的发光鞋，其特征在于，所述第一电极层所用材料是铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜或金属。

17.根据权利要求16所述的发光鞋，其特征在于，其中金属是金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、铬、锡、铁、锰、钼、钨、钒、铝合金、钛合金、镁合金、铍合金、铜合金、锌合金、锰合金、镍合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。