CN106612080A - 全柔性摩擦纳米发电机、发电机组、能量鞋和运动传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及柔性器件领域，公开了一种全柔性摩擦纳米发电机和发电机组，该摩擦纳米发电机包括层叠设置的第一摩擦部件、波浪形导电部件和第二摩擦部件，均为可变形的柔性部件，其中，所述第一摩擦部件包括柔性可拉伸的第一摩擦层和第一电极层；所述第二摩擦部件包括柔性可拉伸的第二摩擦层和第二电极层；所述柔性的波浪形导电部件向上凸出部分的顶部与所述第一摩擦层接触，向下凸出部分的底部与所述第二摩擦层接触。摩擦纳米发电机整体为柔性的可拉伸结构，可以从多种机械运动中收集机械能，并且具有优异的稳定性。

Description

全柔性摩擦纳米发电机、发电机组、能量鞋和运动传感器
技术领域
本发明涉及柔性器件领域，特别涉及一种全柔性摩擦纳米发电机和发电机组，以及应用该摩擦纳米发电机和发电机组的能量鞋和运动传感器。
背景技术
随着便携电子产品和传感网络的迅猛发展，输出量级为μW到mW的可持续移动能量源正被研究者广泛关注。现在，最通用的能量源比如电池或者电容器。但是能量存储单元有两个问题：有限的寿命，它们没办法长时间持续供电；处理这些电池或电容器的困难，如果不能妥善处理，将会造成严重的环境问题。
近年开发出的摩擦纳米发电机具有高输出、高转化率的特点，获得了广泛关注。摩擦纳米发电机的工作原理是摩擦起电效应和静电感应现象的耦合，相互接触的两种材料由于电子的亲和势不同，会在相互接触的表面产生摩擦电荷，随着外界机械作用的驱动，两个摩擦材料层周期性的分离和接触改变两个材料中间的电场强度，导致自由电荷在电路中进行周期性的往复运动。通过这种方式，摩擦纳米发电机在外电路中将机械能转化为电能。迄今，诸如振动，身体活动，海浪之类的周期性机械运动已经被用于驱动摩擦纳米发电机使其发电。在这些机械运动中，人体运动机械能(走路、手臂弯曲、轻拍等)是驱动可穿戴电子的最佳能量源，这样就可以把能量采集单元和能量消耗单元集成在一起组成单纯靠人体运动驱动的自发电驱动系统。为了达成这个目标，摩擦纳米发电机已经进行了诸多发展创新。
然而，受限于摩擦纳米发电机的输出水平和人体运动的低频特点，很少有此类自充电能量系统能在无外界输入的情况下被用作可穿戴电子的持续独立能量来源。少数系统能够单纯通过收集人体运动机械能来持续驱动可穿戴电子设备，然而复杂的连线或者庞大的功能组件使得这些系统实用性较低。
发明内容
本发明的目的是提供一种可以收集各种形式机械能的全柔性摩擦纳米发电机，能够收集弯曲、挤压、拉伸等形式的机械能转变为电能，为可穿戴设备供电。
为了实现上述目的，本发明提供一种全柔性摩擦纳米发电机，包括层叠设置的第一摩擦部件、波浪形导电部件和第二摩擦部件，均为可变形的柔性部件，其中，
所述第一摩擦部件包括柔性可拉伸的第一摩擦层和第一电极层；
所述第二摩擦部件包括柔性可拉伸的第二摩擦层和第二电极层；
所述柔性的波浪形导电部件向上凸出部分的顶部与所述第一摩擦层接触，向下凸出部分的底部与所述第二摩擦层接触。
优选的，所述波浪形导电部件与所述第一摩擦部件和第二摩擦部件之间仅在边缘进行固定；
或者，所述波浪形导电部件向上凸出部分的顶部与所述第一摩擦部件固定设置，在向下凸出部分的底部与所述第二摩擦部件固定设置。
优选的，所述第一电极层和第二电极层为可弹性拉伸变形的柔性导电层材料。
优选的，所述波浪形导电部件整体为波浪状的可弹性拉伸变形的柔性导电层材料；
或者，所述波浪形导电部件采用层叠结构：在柔性材料的波浪形支撑层的上下表面各设置第一波浪形电极层和第二波浪形电极层。
优选的，所述第一波浪形电极层和第二波浪形电极层为可弹性拉伸变形的柔性导电层材料；所述波浪形支撑层采用可拉升的弹性绝缘材料。
优选的，所述可弹性拉伸变形的柔性导电层材料为在绝缘材料中混合导电微米/纳米结构材料形成的可拉伸材料。
优选的，所述绝缘材料为硅橡胶或未硫化的橡胶；和/或，所述导电微米/纳米结构材料为碳基导电材料或金属纳米颗粒。
优选的，所述第一摩擦层和第二摩擦层的材料为聚合物材料。
优选的，所述第一摩擦层和第二摩擦层的材料采用可拉升的弹性绝缘材料。
优选的，所述弹性绝缘材料为聚合物材料。
优选的，所述第一波浪形电极层和第二波浪形电极层的厚度范围为0.01mm-10mm。
优选的，所述第一电极层和第二电极层的厚度范围为0.01mm-10mm；
第一摩擦层和第二摩擦层的厚度范围为0.01mm-10mm。
优选的，所述波浪形导电部件为周期性的波浪形结构；优选的，周期长度的范围为5-20mm，波浪形导电部件的高度范围为1-8mm。
相应的，本发明还提供一种全柔性摩擦纳米发电机组，包括层叠设置的多个上述任一项所述的摩擦纳米发电机，相邻的所述发电机共用电极层。
本发明还提供一种能量鞋，包括上述任一项所述的摩擦纳米发电机，或者包括上述的摩擦纳米发电机组。
本发明还提供一种运动传感器，包括上述任一项所述的摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机贴附在运动部位；
或者，包括上述的摩擦纳米发电机组，所述摩擦纳米发电机组贴附在运动部位。
通过上述技术方案，本发明的有益效果是：
本发明的摩擦纳米发电机的第一摩擦部件1、第二摩擦部件3和波浪形导电部件2完全由可拉伸材料例如聚合物材料制作，由于可拉伸聚合物材料的柔性和可拉伸性，可以利用该摩擦纳米发电机从多种机械运动中收集机械能，包括压、拉、弯折等作用。两个柔性的接触表面能够有效提升摩擦起电时的有效接触面积，有助于提高摩擦电荷密度进而提高电流输出水平。
本发明提供的全柔性摩擦纳米发电机具有优异的稳定性，这种优异的特性使得可拉伸的全柔性摩擦纳米发电机可以有效的充当配套能量源，比如可把摩擦纳米发电机安装在鞋面、鞋底或鞋内部做“能量鞋”。由于其柔性结构，不仅可以作为可穿戴电子器件的电源，也作为传感器用于实时监测人体运动的信息。
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为本发明全柔性摩擦纳米发电机的结构示意图；
图2为图1结构的摩擦纳米发电机收到压力作用下变形的结构示意图；
图3为摩擦纳米发电机的波浪形导电部件为多层结构的示意图；
图4为摩擦纳米发电机组的结构示意图。
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”是指示图中的方向；“内”指朝向相应结构内部，“外”指朝向相应结构外部。
本发明提供的全柔性摩擦纳米发电机的典型结构见图1，包括层叠设置的第一摩擦部件1、波浪形导电部件2和第二摩擦部件3，均为可变形的柔性部件，其中，第一摩擦部件1和第二摩擦部件3均包括层叠设置的摩擦层和电极层，参见图1，第一摩擦部件1包括柔性可拉伸的第一摩擦层11和第一电极层12，第二摩擦部件3包括柔性可拉伸的第二摩擦层31和第二电极层32。柔性的波浪形导电部件2设置在第一摩擦部件1和第二摩擦部件3之间，向上凸出部分的顶部与第一摩擦层11接触，向下凸出部分的底部与第二摩擦层31接触。在外力作用下，层叠设置的第一摩擦部件1、波浪形导电部件2和第二摩擦部件3收到挤压(或者拉伸)作用形状发生变化，第一摩擦部件和第二摩擦部件被拉伸，波浪形导电部件2被挤压变形，使得波浪形导电部件2的上表面与第一摩擦部件的摩擦层11接触，波浪形导电部件2的下表面与第二摩擦部件的摩擦层31接触，由于互相接触表面材料的电子亲和势不同，电荷从波浪形导电部件2表面转移到第一摩擦层11和第二摩擦层31表面。在波浪形导电部件2的上下表面带有负电荷，第一摩擦部件和第二摩擦部件的摩擦层表面带有正电荷。随着逐渐撤去压缩时的作用力，第一摩擦部件1、波浪形导电部件2和第二摩擦部件3逐渐恢复到初始形状(如图1)，由于静电感应，在该过程中，波浪形导电部件2上下表面的电荷分别转移到第一电极层12和第二电极层32，电荷转移量随恢复过程逐渐增加。最后，当再次压缩该摩擦纳米发电机时，波浪形导电部件2发生变形，相等数量电荷在相反方向在电路中转移，直到完全压缩变形。这样，周期性的电流就随着间隔的压缩释放过程产生。
波浪形导电部件2面向第一摩擦部件1和第二摩擦部件3的上下表面的材料为柔性导体材料，波浪形导电部件2可以整体为波浪状的可弹性拉伸变形的柔性导电层材料，也可以为采用层叠结构，如图3中所示，柔性材料的波浪形支撑层22的上下表面各设置第一波浪形电极层21和第二波浪形电极层23。
本发明中第一电极层12、第二电极层32、第一波浪形电极层21和第二波浪形电极层23均为可弹性拉伸变形的柔性导电层材料。可弹性拉伸变形的柔性导电层材料可以采用在绝缘材料中混合导电微米/纳米结构材料形成的可拉伸材料。所述导电微米/纳米结构材料为碳基导电材料或金属纳米颗粒，如导电炭黑、碳纳米管、石墨烯或Au纳米颗粒。可以在绝缘材料中同时加入炭黑和碳纳米管。作为母体的绝缘材料为可融化的绝缘材料，并且在固化后具有弹性，可以采用聚合物绝缘材料，例如可以采用硅橡胶或未硫化的橡胶。第一电极层12、第二电极层32、第一波浪形电极层21和第二波浪形电极层23的厚度范围为0.01mm-10mm，优选为0.2mm-1mm。
采用在聚合物中参入导电微米/纳米结构材料的导电层材料，能够确保导电层在拉伸后的导电性。
波浪形支撑层22可以采用可拉升的弹性绝缘材料，能够在受到外力作用时被压扁或者扭曲变形，撤去外力时，可以弹性恢复原始形状。
第一摩擦部件1和第二摩擦部件3中的摩擦层12和32可以采用可拉升的弹性绝缘材料，可以在受到外力作用时被拉升或者扭曲变形，撤去外力时，可以弹性恢复原始形状。
波浪形支撑层22、第一摩擦层11和第二摩擦层31的厚度范围为0.01mm-10mm，优选为0.5mm-2mm。
弹性绝缘材料优选聚合物材料，如聚四氟乙烯、聚酰亚胺或聚氯乙烯等弹性材料，可以在多次变形后仍然保持原始形状。
为了提高发电机的输出性能，可以在第一摩擦层11和/或第二摩擦层的表面设置微米或次微米量级的微结构阵列，所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米棒、微米棒、纳米球和微米球状结构。
波浪形导电部件2的上下表面与第一摩擦部件1和第二摩擦部件2之间可以仅在边缘进行固定，也可以通过在向上凸出部分的顶部与第一摩擦部件1固定设置，在向下凸出部分的底部与第二摩擦部件3固定设置。波浪形导电部件的全部或者部分凸出部分与摩擦层固定后把整块摩擦层分解成一些小区域，已经通过研究证实对提高表面摩擦电荷密度有益。固定时，可以采用有机物胶水进行粘结固定，可以采用市售的0030胶水。
摩擦纳米发电机中，波浪形导电部件2在未受力作用的原始状态时，波浪形导电部件2可以为周期性的波浪形结构，周期长度的范围可以为5-20mm，波浪形导电部件2的高度范围为1mm-8mm。
参见图4，为了获得更大的输出，可以将多个图1或图3的摩擦纳米发电机A1、A2......An层叠设置形成摩擦纳米发电机组，相邻两层之间的摩擦部件可以共用一个电极层。
实验证实，除了拉伸和按压作用力可以进行发电外，沿着平行波浪方向、垂直波浪方向等不同方向折叠发电机，同样也可以产生电信号。而且，由于每层的摩擦纳米发电机中摩擦层与波浪形导电部件的表面之间都是柔性接触，经过200k个操作周期，电学输出水平电荷转移量并未产生明显降低，摩擦纳米发电机的基本结构单元表现出优秀的鲁棒性和长时稳定性。
摩擦纳米发电机的第一摩擦部件1、第二摩擦部件3和波浪形导电部件2完全由可拉伸材料例如聚合物材料制作，可以在两个方面获益：
首先，由于可拉伸聚合物材料的柔性和可拉伸性，可以利用该摩擦纳米发电机从多种机械运动中收集机械能，包括压、拉、弯折等作用。第二，两个柔性的接触表面能够有效提升摩擦起电时的有效接触面积，有助于提高摩擦电荷密度进而提高电流输出水平。
本发明提供的全柔性摩擦纳米发电机不仅可以用来收集机械能，还可以贴在人体不同位置的皮肤表面，作为传感器用于实时监测人体运动的信息，如肘部(Elbow)、膝部(Knee)、颈部等部位。
摩擦纳米发电机的材料选择对人体(或者动物体)无毒无副作用、与皮肤有很好的粘结性、有一定的形状自适应性的材料。
具体的工作原理是人体发生轻微运动时，会使摩擦纳米发电机的波浪形导电部件和摩擦部件的表面之间发生周期性的接触和分离，从而产生相应的电信号。通过分析电信号的大小、极性和频率可以得到关于人体轻微运动的幅度和频率等信息。这种自驱动的生物运动检测在未来的医疗监护、睡眠质量检测等领域会有重要的潜在应用。
本发明提供的摩擦纳米发电机，除了可以直接贴附在皮肤上外，也可以设置在服装(这里所述的包括衣服、背包、鞋等)上，将摩擦发纳米电机设置在人体运动关节部位相应的位置，在人体运动时摩擦纳米发电机被挤压或者拉伸，作为传感器或者发电机，通过人体的轻微运动驱动摩擦纳米发电机发电，并通过测量输出的电信号来监测人体运动的情况。
本发明提供的全柔性摩擦纳米发电机有着优异的稳定性，这种优异的特性使得可拉伸的全柔性摩擦纳米发电机可以有效的充当配套能量源，比如可把摩擦纳米发电机安装在鞋面、鞋底或鞋内部做“能量鞋”。
在实验中，在鞋头部设置6层摩擦纳米发电机，鞋根部设置6层摩擦纳米发电机，走路和奔跑时的等效充电电流分别为～6.3μA和～15μA。可以连接超级电容器后为计步器或者健康手环等电子器件，形成自驱动系统，该能量鞋可以在无外界电学输入的情况下记录日常健康数据。
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。例如，各部件的形状、材质和尺寸的变化。
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 (16)

1.一种全柔性摩擦纳米发电机，其特征在于，包括层叠设置的第一摩擦部件、波浪形导电部件和第二摩擦部件，均为可变形的柔性部件，其中，
所述第一摩擦部件包括柔性可拉伸的第一摩擦层和第一电极层；
所述第二摩擦部件包括柔性可拉伸的第二摩擦层和第二电极层；
所述柔性的波浪形导电部件向上凸出部分的顶部与所述第一摩擦层接触，向下凸出部分的底部与所述第二摩擦层接触。
2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述波浪形导电部件与所述第一摩擦部件和第二摩擦部件之间仅在边缘进行固定；
或者，所述波浪形导电部件向上凸出部分的顶部与所述第一摩擦部件固定设置，在向下凸出部分的底部与所述第二摩擦部件固定设置。
3.根据权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层为可弹性拉伸变形的柔性导电层材料。
4.根据权利要求1-3任一项中所述的发电机，其特征在于，所述波浪形导电部件整体为波浪状的可弹性拉伸变形的柔性导电层材料；
或者，所述波浪形导电部件采用层叠结构：在柔性材料的波浪形支撑层的上下表面各设置第一波浪形电极层和第二波浪形电极层。
5.根据权利要求4所述的发电机，其特征在于，所述第一波浪形电极层和第二波浪形电极层为可弹性拉伸变形的柔性导电层材料；所述波浪形支撑层采用可拉升的弹性绝缘材料。
6.根据权利要求3-5任一项中所述的发电机，其特征在于，所述可弹性拉伸变形的柔性导电层材料为在绝缘材料中混合导电微米/纳米结构材料形成的可拉伸材料。
7.根据权利要求6所述的发电机，其特征在于，所述绝缘材料为硅橡胶或未硫化的橡胶；
和/或，所述导电微米/纳米结构材料为碳基导电材料或金属纳米颗粒。
8.根据权利要求1-7任一项中所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和第二摩擦层的材料为聚合物材料。
9.根据权利要求1-7任一项中所述的发电机，其特征在于，所述第一摩擦层和第二摩擦层的材料采用可拉升的弹性绝缘材料。
10.根据权利要求5或9所述的发电机，其特征在于，所述弹性绝缘材料为聚合物材料。
11.根据权利要求5-7任一项中所述的发电机，其特征在于，所述第一波浪形电极层和第二波浪形电极层的厚度范围为0.01mm-10mm。
12.根据权利要求1-11任一项中所述的发电机，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层的厚度范围为0.01mm-10mm；
第一摩擦层和第二摩擦层的厚度范围为0.01mm-10mm。
13.根据权利要求1-12任一项中所述的发电机，其特征在于，所述波浪形导电部件为周期性的波浪形结构；
优选的，周期长度的范围为5-20mm，波浪形导电部件的高度范围为1-8mm。
14.一种全柔性摩擦纳米发电机组，其特征在于，包括层叠设置的多个如权利要求1-13任一项所述的摩擦纳米发电机，相邻的所述发电机共用电极层。
15.一种能量鞋，其特征在于，包括权利要求1-13任一项所述的摩擦纳米发电机，或者包括权利要求14所述的摩擦纳米发电机组。
16.一种运动传感器，其特征在于，包括权利要求1-13任一项所述的摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机贴附在运动部位；
或者，包括权利要求14所述的摩擦纳米发电机组，所述摩擦纳米发电机组贴附在运动部位。
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