CN105098011B - 一种机械能向光辐射转换装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及机械能向光辐射转换领域，公开了一种机械能向光辐射转换装置及方法。该装置包括：摩擦部件，包括第一摩擦起电层；摩擦发光部件，摩擦发光部件由摩擦起电材料和电致发光材料构成。摩擦发光部件的上表面含有摩擦起电材料，并且摩擦发光部件的上表面和第一摩擦起电层的下表面具有不同的摩擦电极性。通过第一摩擦起电层的下表面和摩擦发光部件的上表面彼此摩擦，沿摩擦轨迹产生变化的电场，激发摩擦轨迹上摩擦发光部件中的电致发光材料产生光辐射。本发明将摩擦起电与电致发光效应进行耦合，提供了一种理想的实时探测动态物体运动轨迹的可视化手段，将在定位示踪、自驱动光源、防伪鉴别、安全防盗和电子签名等众多领域具有广泛的应用。
Description
技术领域
本发明涉及机械能向光辐射转换领域，公开了一种利用摩擦起电与电致发光的耦合效应将机械能转变为光辐射的装置及方法。
背景技术
运动的物体无处不在，探测这些动态物体的位置、轨迹和运动参数等具有重要的科学意义和实用价值，在力学传感、定位示踪、自驱动光源、防伪鉴别、安防监控、自然灾害预警等领域有着广阔的应用前景。当前，探测动态物体的传感手段主要依赖于外部机械作用所产生的电学信号。如果利用光辐射信号而非电信号来探测机械运动信息，则无需复杂精密的电子信号处理系统，实现大面积范围内的可视化实时传感。
为了将机械能转换为光辐射，建立一种机械能向光辐射转换机制至关重要。电致发光是一种高效且稳定的发光机制，能将电能直接转变成光辐射，同时，摩擦起电是一种高效的机械能-电能转换机制，能够有效地将机械能转换为电能。将摩擦起电效应与电致发光效应有机的耦合，能实现机械能向光辐射的高效转换。
摩擦起电与电致发光耦合效应，提供了一种理想的实时探测动态物体运动轨迹的可视化手段，具有材料选择广、灵敏度高、应力阈值低、速度阈值低、稳定好和适用性广等优点，将在定位示踪、自驱动光源、防伪鉴别、安全防盗和电子签名等众多领域有着广泛的潜在应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种机械能向光辐射转换的装置，该装置通过具有摩擦电极性差异材料相互摩擦，沿摩擦轨迹产生变化的电场。电场激发摩擦轨迹上的电致发光材料产生光辐射。本发明还提供了采用该装置的将机械能向光辐射转换的方法。
为了实现上述目的，本发明提供一种机械能向光辐射转换装置，该装置包括：摩擦部件，包括第一摩擦起电层；摩擦发光部件，所述摩擦发光部件由摩擦起电材料和电致发光材料构成。所述摩擦发光部件的上表面含有摩擦起电材料，并且所述摩擦发光部件的上表面和所述第一摩擦起电层的下表面具有不同的摩擦电极性。通过所述第一摩擦起电层的下表面和所述摩擦发光部件的上表面彼此摩擦，沿摩擦轨迹产生变化的电场，激发摩擦轨迹上所述摩擦发光部件中的电致发光材料产生光辐射。
所述摩擦发光部件的上表面和所述第一摩擦起电层的下表面的摩擦电极性差异越大，光辐射强度越大。
优选地，所述摩擦部件的第一摩擦起电层下表面具有最小单元尺寸为厘米、毫米和/或微米尺度的阵列凸起结构。
优选地，所述摩擦发光部件的上表面具有微米和/或纳米尺度的表面微结构。
优选地，所述摩擦为接触-分离式摩擦、滑动式摩擦和/或滚动式摩擦。
在光辐射达到饱和之前，光辐射强度随接触应力的增大而增大。
在光辐射达到饱和之前，光辐射强度随运动速率的增大而增大。
优选地，所述摩擦发光部件中含有的所述电致发光材料为有机电致发光材料和/或无机电致发光材料。
优选地，所述摩擦发光部件中含有的所述电致发光材料为短余辉和/或长余辉电致发光材料。
优选地，所述摩擦发光部件中含有的所述电致发光材料可以为微米和/或纳米尺寸的电致发光材料。
优选地，所述光辐射为X射线、紫外线、可见光和/或红外光。
优选地，所述第一摩擦起电层为导体、半导体和/或绝缘体，所述摩擦发光部件中的摩擦起电材料为绝缘体和/或半导体。
优选地，所述摩擦发光部件中的摩擦起电材料由同种材料组成或由多种不同材料组成。
优选地，所述第一摩擦起电层和所述摩擦发光部件中的摩擦起电材料中的一者由聚四氟乙烯构成，另一者由尼龙或聚氨酯构成。
优选地，所述摩擦发光部件包括第二摩擦起电层，所述第二摩擦起电层包含摩擦起电材料；所述摩擦发光部件还包括发光层，所述发光层包含电致发光材料。通过所述第一摩擦起电层的下表面和所述第二摩擦起电层的上表面彼此摩擦，沿摩擦轨迹产生变化的电场，激发摩擦轨迹上所述发光层产生光辐射。
优选地，所述发光层的上表面与所述第二摩擦起电层的下表面紧密接触。
所述第二摩擦起电层的厚度达到纳米尺度时，光辐射最强。
优选地，所述发光层中含有的所述电致发光材料为固态发光材料、液态发光材料和/或气态发光材料。
优选地，所述液态发光材料或所述气态发光材料封装在透明密封外壳中。
优选地，所述摩擦发光部件为单层摩擦发光层；通过所述第一摩擦起电层的下表面和所述摩擦发光层的上表面彼此摩擦，沿摩擦轨迹产生变化的电场，激发摩擦轨迹上所述摩擦发光层的电致发光材料产生光辐射。
优选地，所述单层摩擦发光层由电致发光材料形成。
优选地，所述摩擦发光部件包含所述摩擦起电材料，所述电致发光材料分散在摩擦起电材料中复合形成单层摩擦发光层。
优选地，所述摩擦发光部件中的摩擦起电材料为高分子树脂、陶瓷和/或石英玻璃。
优选地，所述摩擦发光层为单层复合薄膜，电致发光材料均匀分散摩擦起电材料中以组成所述单层复合薄膜。
本发明还提供了一种将机械能向光辐射转换的方法，该机械能向光辐射转换方法采用如上所述的机械能向光辐射转换装置将机械能转换为光辐射。
通过上述技术方案，可利用摩擦起电效应激发电致发光材料发生光辐射，提供了一种理想的实时探测动态物体运动轨迹的可视化手段，具有材料选择广、光辐射强度高、灵敏度高、发光应力阈值低、速度阈值低、稳定性好和适用性广等优点，将在定位示踪、自驱动光源、防伪鉴别、安全防盗和电子签名等众多领域有着广泛的应用。
本发明的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1是本发明的机械能向光辐射转换装置结构示意图；
图2是本发明的机械能向光辐射转换的两种具体实施方式的装置结构示意图；
图3是本发明的机械能向光辐射转换装置一种具体实施方式的光辐射的光谱图；
图4是本发明的机械能向光辐射转换装置一种具体实施方式中不同的功能层对光辐射的影响示意图。
图5是将具有不同摩擦电极性差异的摩擦起电材料应用于机械能向光辐射转换时的光辐射对比图；
图6是本发明的机械能向光辐射转换装置的一种具体实施方式的光辐射随运动速率增加的变化趋势图；
图7是本发明的机械能向光辐射转换装置的一种实施方式的光辐射随接触应力增加的变化趋势图。
附图标记说明
101摩擦部件 201摩擦发光部件
301第二摩擦起电层 302发光层 303摩擦发光层
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、横向”通常是指附图中的方向。余辉的定义是光辐射的初始值下降到1/10所需的时间。短余辉电致发光材料为余辉时间小于10μs的材料，长余辉电致发光材料为余辉时间大于10μs的材料。
具有摩擦电极性差异材料相互摩擦，沿摩擦轨迹产生变化的电场，电场激发摩擦轨迹上的电致发光材料产生光辐射。本发明将摩擦起电效应和电致发光效应相耦合，提供了一种理想的实时探测动态物体运动轨迹的可视化手段，应用在力学传感、定位示踪、自驱动光源、安防监控、自然灾害预警等领域。
图1是本发明的机械能向光辐射转换装置结构示意图；该机械能向光辐射转换装置包括摩擦部件和摩擦发光部件。图1中，摩擦部件，包括第一摩擦起电层101；摩擦发光部件201，主要由摩擦起电材料和电致发光材料构成，亦即该部件中含有摩擦起电材料和电致发光材料。
第一摩擦起电层101中至少包含一种在摩擦作用下能够产生表面电荷的材料，并且其摩擦电极性与摩擦发光部件上表面的摩擦电极性不同，使得二者在进行摩擦的过程中能够形成表面电荷的转移，这些材料包括导体、半导体和绝缘体。第一摩擦起电层的下表面可具有最小尺寸为厘米、毫米和/或微米尺度的阵列凸起结构。这些阵列凸起结构的尺寸可以相同也可以不同，还可以排列形成各种规则或不规则的图案。
摩擦发光部件201的上表面可具有微米和/或纳米尺度的表面微结构，例如微米和/或纳米棒、微米和/或纳米锥等等。摩擦发光部件201中的摩擦起电材料由同种材料组成或多种不同材料组成，一般为绝缘材料，优选高分子树脂、陶瓷和/或石英玻璃。
图2是本发明的机械能向光辐射转换的两种具体实施方式的装置结构示意图。图2(a)中摩擦部件包括第一摩擦起电层101，摩擦发光部件包括含有摩擦起电材料的第二摩擦起电层301和含有电致发光材料的发光层302。图2(b)中摩擦部件包括第一摩擦起电层101，摩擦发光部件为单层摩擦发光层303。优选地，组成摩擦发光层303的材料可以都是电致发光材料，同时其又具有能与第一摩擦起电层101摩擦起电的特性，或者摩擦发光层303为单层复合薄膜，可有电致发光材料均匀分散在摩擦起电材料中以组成该单层复合薄膜。图2中，摩擦发光部件的上表面可与第一摩擦起电层101相互摩擦，沿摩擦轨迹产生变化的电场，电场激发摩擦轨迹上的电致发光材料产生光辐射。具有不同摩擦电极性差异的摩擦起电材料101和301或101与303可相互摩擦而产生剧烈变化的电场。摩擦发光部件中的电致发光材料受到该电场激发产生光辐射。从而可实现动态物体的可视化实时传感，应用在力学传感、定位示踪、自驱动光源、安防监控、自然灾害预警等领域。
本实施方式中，第一摩擦起电层101可以为任意适用的导体、半导体和/或绝缘体，第二摩擦起电层301为与第一摩擦起电层101具有摩擦电极性差异的绝缘体和/或半导体，第一摩擦起电层101和第二摩擦层起电301的摩擦电极性的差异越大，光辐射强度越大。例如，摩擦起电层101和301中的一者为聚四氟乙烯时，另一者可由聚氨酯、尼龙、聚对二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一者构成，优选为尼龙或聚氨酯。优选地，为了提高光辐射强度，摩擦起电层101和301可选用具有较大摩擦电极性差异的材料以产生较强的电场，增大光辐射。
第一摩擦起电层与摩擦发光部件可采用多种摩擦方式。例如，可采用接触-分离式摩擦；可采用滑动式摩擦和/或滚动式摩擦；也可采用具备上述三种摩擦中的两种甚至三种的复合摩擦方式。
本实施方式中，所用的电致发光材料可为本领域技术人员已知的任意适用的无机和/或有机电致发光材料，所用的电致发光材料可为本领域技术人员已知的任意适用的短余辉和/或长余辉电致发光材料。所发生的光辐射为X射线、紫外线、可见光和/或红外线。优选地，可采用诸如微米和/或纳米尺寸的电致发光粉颗粒以增大光辐射。如图2所示，发光层302位于第二摩擦起电层301下方，优选地，发光层302的上表面和第二摩擦起电层301的下表面紧密接触，以及优选地，可采用较薄的第二摩擦起电层301，尤其是厚度为纳米尺度，这都有助于提高发光层302所处的电场强度，提高光辐射。所述第二摩擦起电层的厚度达到纳米级别时，光辐射较强。发光层302中的电致发光材料可以为固态、液态和/或气态发光材料。对于液态和气态发光材料，可将其封装在透明外壳中以形成发光层。根据本实施方式，发光层302中的电致发光材料所处区域在受到电场激发时发生光辐射。
例如，根据本实施方式，可在5cm*5cm*0.1cm的有机玻璃片上刮涂一层5cm*5cm*0.003cm的电致发光粉浆液，加热固化后形成发光层302，然后在发光层302上粘贴一层5cm*5cm*0.003cm的聚四氟乙烯膜作为第二摩擦起电层301；将5mm*5mm*0.002cm的尼龙膜作为第一摩擦起电层101。此处描述的制备过程中所公开的具体材料、尺寸以及工艺只用于对本发明进行示例性说明，不用于以任何方式限定本发明的保护范围。图3示出了根据该制备过程得到的机械能向光辐射转换装置在摩擦起电层101和301相互摩擦时得到的光谱图。图2中横坐标为光辐射波长，纵坐标为光辐射强度，单位为counts。如图所示，光谱峰值在波长520nm处。
例如，根据本实施方式，用激光切割机在3cm*3cm*4mm有机玻璃上切割直径0.5mm、深0.5mm、间隔0.5mm的圆柱阵列，将二甲基硅氧烷(PDMS)倒在有机玻璃上模具上，固化后脱模，在PDMS上镀一层5um厚的派瑞林，即得最小单元尺寸为厘米、毫米和/或微米尺度的阵列凸起结构。该结构用作第一摩擦起电层，与摩擦发光部件摩擦，摩擦起电部件的整个区域同时发生光辐射。
本发明将摩擦起电效应与电致发光效应进行有机的耦合，实现机械能向光辐射的高效转换。在第二摩擦起电层301与发光层302之间加入如遮光或电场屏蔽层，可进一步证明这种转化方法的正确性。图4是本发明的机械能向光辐射转换装置一种具体实施方式中不同的功能层对光辐射的影响示意图。
图4中，图4(a)为未添加功能层所得光谱曲线；图4(b)为加入白色介电遮光层所得光谱曲线；图4(c)为加入黑色涂料遮光层所得光谱曲线；图4(d)为加入无色透明电场屏蔽层氧化铟锡(ITO)所得光谱曲线。对比图4(a)、4(d)，存在ITO层时，无光辐射发生。ITO层能允许光通过，但会屏蔽电场，因此电致发光材料无法受到激发发生光辐射。对比图4(a)、4(b)、4(c)，存在遮光层时，依然有光辐射发生，电场能穿过遮光层而激发电致发光材料发光。光辐射强度减弱是由于遮光层的存在一方面减弱了发光材料所处的电场，另一方面阻挡了光辐射的出射。
摩擦起电材料的摩擦电极性差异、接触应力以及运动速率都会影响光辐射强度。图5示出了在其他条件不变的情况下，不同摩擦电极性差异的摩擦起电材料组合的光辐射对比图。图5中，横坐标为光辐射波长，纵坐标为归一化后得到光辐射。其中，当摩擦起电层101和301分别为尼龙和聚四氟乙烯时，得到的光谱曲线如5(a)所示；当摩擦起电层101和301分别为聚对二甲酸乙二醇酯和聚四氟乙烯时，得到的光谱曲线如5(b)所示；当摩擦层101和301分别为聚酰亚胺和聚四氟乙烯时，得到的光谱曲线如5(c)所示。这三组材料中，尼龙和聚四氟乙烯的摩擦电极性差异最大，其摩擦产生的电场最强，相应地激发电致发光材料的光辐射也最大；聚酰亚胺和聚四氟乙烯的摩擦电极性差异最小，其摩擦产生的电场最弱，相应地激发电致发光材料的光辐射也最小；聚对二甲酸乙二醇酯和聚四氟乙烯的摩擦电极性差异居中，其摩擦产生的电场也居中，相应地激发电致发光材料的光辐射也居中。
图6示出了在其他条件相同的情况下，根据本发明的机械能向光辐射转换装置的一种具体实施方式的光辐射随运动速率增加的变化趋势图；图6中，横坐标为两层摩擦起电层间的相对运动速率，纵坐标为归一化后的光辐射。由图可知:随着运动速率的增大，光辐射也逐渐增大并渐至饱和。
图7示出了在其他条件相同的情况下，根据本发明的机械能向光辐射转换装置的一个实施方式的光辐射随接触应力增加的变化趋势图。图7中，横坐标为接触应力，纵坐标为归一化后的光辐射。可以看出，随着接触应力的增加，光辐射也逐渐增大并渐至饱和。以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (20)
1.一种机械能向光辐射转换装置，该机械能向光辐射转换装置包括：
摩擦部件，包括第一摩擦起电层；
摩擦发光部件，所述摩擦发光部件由摩擦起电材料和电致发光材料构成，
所述摩擦发光部件的上表面含有摩擦起电材料，并且所述摩擦发光部件的上表面和所述第一摩擦起电层的下表面具有不同的摩擦电极性；
其中所述第一摩擦起电层的下表面和所述摩擦发光部件的上表面彼此摩擦，沿摩擦轨迹产生变化的电场，激发摩擦轨迹上所述摩擦发光部件中的电致发光材料产生光辐射；
所述摩擦发光部件中含有的所述电致发光材料为有机电致发光材料和/或无机电致发光材料；
所述第一摩擦起电层为导体、半导体和/或绝缘体，所述摩擦发光部件中的摩擦起电材料为绝缘体和/或半导体。
2.根据权利要求1所述的机械能向光辐射转换装置，其中，所述摩擦部件的第一摩擦起电层下表面具有最小单元尺寸为厘米、毫米和/或微米尺度的阵列凸起结构。
3.根据权利要求1所述的机械能向光辐射转换装置，其中，所述摩擦发光部件的上表面具有微米和/或纳米尺度的表面微结构。
4.根据权利要求1所述的机械能向光辐射转换装置，其中，所述摩擦为接触-分离式摩擦、滑动式摩擦和/或滚动式摩擦。
5.根据权利要求1所述的机械能向光辐射转换装置，其中，所述摩擦发光部件中含有的所述电致发光材料为短余辉和/或长余辉电致发光材料。
6.根据权利要求1所述的机械能向光辐射转换装置，其中，所述摩擦发光部件中含有的所述电致发光材料为微米和/或纳米尺寸的电致发光材料。
7.根据权利要求1所述的机械能向光辐射转换装置，其中，所述光辐射为X射线、紫外线、可见光和/或红外光。
8.根据权利要求1所述的机械能向光辐射转换装置，其中，所述摩擦发光部件中的摩擦起电材料由同种材料组成或由多种不同材料组成。
9.根据权利要求1所述的机械能向光辐射转换装置，其中，所述第一摩擦起电层和所述摩擦发光部件中的摩擦起电材料中的一者由聚四氟乙烯构成，另一者由尼龙或聚氨酯构成。
10.根据权利要求1-9中任一项权利要求所述的机械能向光辐射转换装置，其中，
所述摩擦发光部件包括第二摩擦起电层，所述第二摩擦起电层包含摩擦起电材料；所述摩擦发光部件还包括发光层，所述发光层包括电致发光材料；
通过所述第一摩擦起电层的下表面和所述第二摩擦起电层的上表面彼此摩擦，沿摩擦轨迹产生变化的电场，激发摩擦轨迹上所述发光层产生光辐射。
11.根据权利要求10所述的机械能向光辐射转换装置，其中，所述发光层的上表面与所述第二摩擦起电层的下表面紧密接触。
12.根据权利要求10所述的机械能向光辐射转换装置，其中，所述第二摩擦起电层的厚度为纳米尺度。
13.根据权利要求10所述的机械能向光辐射转换装置，其中所述发光层中含有的所述电致发光材料为固态发光材料、液态发光材料和/或气态发光材料。
14.根据权利要求13所述的机械能向光辐射转换装置，其中所述液态发光材料或所述气态发光材料封装在透明密封外壳中。
15.根据权利要求1-9中任一项权利要求所述的机械能向光辐射转换装置，其中，
所述摩擦发光部件为单层摩擦发光层；
通过所述第一摩擦起电层的下表面和所述摩擦发光层的上表面彼此摩擦，沿摩擦轨迹产生变化的电场，激发摩擦轨迹上所述摩擦发光层的电致发光材料产生光辐射。
16.根据权利要求15所述的机械能向光辐射转换装置，其中，所述单层摩擦发光层由电致发光材料形成。
17.根据权利要求15所述的机械能向光辐射转换装置，其中，所述摩擦发光部件包含所述摩擦起电材料，所述电致发光材料分散在摩擦起电材料中复合形成单层摩擦发光层。
18.根据权利要求15所述的机械能向光辐射转换装置，其中，所述摩擦发光部件中的摩擦起电材料为高分子树脂、陶瓷和/或石英玻璃。
19.根据权利要求15所述的机械能向光辐射转换装置，其中，所述摩擦发光层为单层复合薄膜，电致发光材料均匀分散在摩擦起电材料中以组成所述单层复合薄膜。
20.一种机械能向光辐射转换方法，该方法采用如权利要求1-19中任一项权利要求所述的机械能向光辐射转换装置将机械能转换为光辐射。
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