CN106787931A - 一种可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于摩擦发电技术领域，具体为一种可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件及制备方法。本发明利用介电常数不同的高分子材料作为摩擦生电层，取向碳纳米管薄膜作为电荷感应和收集电极；首先在纤维状高分子弹性基底上缠裹取向碳纳米管薄膜作为内层电极，然后在碳纳米管薄膜表面依次构建两种接触表面具有微纳结构的高分子摩擦生电层，再缠裹一层碳纳米管薄膜作为外层电极，最后封装得到可拉伸的同轴纤维状摩擦发电器件。该器件制备过程简单，而且具有良好的柔性，在拉伸、弯曲、压缩和扭曲作用下均可产生电信号，因此能够收集外部环境中不同方向、不同形式的机械能，并将其转化为电能；可作为电源为可穿戴电子设备供电，也可作为传感器件用来检测人体运动、生理信号。

Description

一种可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件及其制备方法

技术领域

本发明属于摩擦发电技术领域，具体涉及一种可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件及制备方法。

背景技术

近年来可穿戴电子设备大量涌现，此类设备通过穿戴方式附着于人体体表后，可实时监测生理信号，并实现人机信息自动交互，在医疗保健、户外运动、以及信息通讯方面为用户带来了全新体验。目前流行的可穿戴电子设备都需要电池作为能量供给单元驱动设备工作，然而传统电池续航能力的不足严重制约了可穿戴电子设备的未来发展，而且当前绝大多数可穿戴电子器件均采用传统的块状电池作为电源，由于其体积较大，质量较重，不具有柔性，尤其不适于人体穿戴，更不适宜与可穿戴电子器件实现功能和结构的整体集成。

近年来兴起的基于摩擦生电和静电感应耦合效应的摩擦发电技术能将环境中的机械能转化为电能，特别是可将人体运动所产生的低频机械能(<1Hz)，转化为电能，其原理和技术都有别于传统的电磁感应发电机，是一种新型的、可持续的绿色清洁能源开发技术。值得一提的是，基于上述原理和技术所开发制备的摩擦发电器件在可穿戴设备、智能衣物、以及植入式电子设备等领域存在显著优势：不仅可以通过穿戴方式与人体高度集成，而且能够将人体运动所产生的机械能转化为电能，以满足各种便携式电子设备对于电能的大量需求。

目前，摩擦发电技术已引起了学术界和工业界的广泛关注，自2012年起，大量的摩擦发电器件不断涌现。上述摩擦发电器件大多采用金属电极来收集感应电荷，由于金属材料自身重量较大，柔性较差，在拉伸过程中易于发生断裂而失效，因此不适宜于人体穿戴；此外金属电极加工过程经常需要光刻、电子束沉积、反应离子刻蚀等微加工手段，制备工艺复杂，成本高昂，不宜于大规模应用。而将导电性能优异的碳纳米管材料与柔性的高分子基质按照一定方式结合，具有方法简单、原材料灵活多样、易于集成等特点，因此可以成为制备柔性电子器件的理想方法。由于碳纳米管材料与柔性高分子基质复合方式多样，因此所制备的柔性电子器件结构和性能易于调控，通过合理的结构设计，可获得拉伸性能和弯曲性能均佳的柔性器件，特别适合于开发可穿戴的摩擦发电器件。而通过将摩擦发电器件设计并制备成具有较高柔性和摩擦生电性能的纤维，再进一步通过编织技术得到透气织物的摩擦发电器件，通过穿戴方式，即可实现将人体运动机械能转化为电能而使用的目的，可以作为电源为各种便携式电子设备供电，也可以作为一种自能量传感器用来检测人体运动和生理信号。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有柔性、能够连续制备且能编织为衣物的可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件及其制备方法。

本发明提供的低成本、能够连续制备的具有柔性的纤维状摩擦发电器件，是利用纤维状聚合物弹性基底，通过缠裹碳纳米管薄膜电极，原位沉积高分子微球和浸涂高分子膜层作为介电层，制备得可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件。此纤维状摩擦发电器件在25 N的垂直压力作用下，单根5cm长的器件开路电压可达到2 V，短路电流可达到250nA，可以利用该纤维状摩擦发电器件点亮液晶显示器，将4根纤维状摩擦发电器件并联后能够为商用电容器（22 µF）充电。

本发明的创新和特色之处在于，使用柔性的高分子介电材料和取向碳纳米管薄膜，通过简单可行的方法制备了可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件，提供了一种能将人体机械能转化为电能的技术手段。

本发明提供的可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件，利用介电常数不同的高分子材料作为不同的摩擦生电层，取向碳纳米管薄膜作为电荷感应和收集电极；包括：

（1）内层电极，由碳纳米管纤维缠在纤维基底表面而成；

（2）第一摩擦生电层，为在内层电极外表面的一层介电材料；

（3）第二摩擦生电层，为在第一摩擦生电层外面的一层介电材料；

（4）外层电极，为缠绕在第二摩擦生电层外的一层碳纳米管纤维；

器件封装在高分子材料中。

本发明中，所述的纤维基底具有弹性，基底材料可为高分子材料，如聚二甲基硅氧烷、聚氨酯等，其直径为0.1-10mm。

本发明中，所述的内层电极和外层电极的碳纳米管纤维，具有取向结构与良好的导电性，其电阻为200-1000Ω/cm，厚度为20-2000 nm；碳纳米管纤维以不同角度缠绕在基底表面。

本发明中，所述的介电材料具有摩擦生电能力，其中，第一摩擦生电层与第二摩擦生电层具有相反的摩擦生电序列，第一摩擦生电层和第二摩擦生电层之间形成摩擦界面，其距离为1-200 μm，在外力作用下二者发生接触或分离。

本发明中，所述介电材料分别为易带正电与易带负电的聚合物材料，易带正电的材料包括聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚醋酸纤维素、聚醋酸乙烯酯、聚乳酸等，其粒径为0.01-10.0 μm，可通过包括电泳沉积、胶体自组装等方式组装，形成的表面具有微纳尺度的凸起结构，厚度为10-100 μm；易带负电的材料，包括聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯等，制备方法包括高分子溶液浸涂、沾涂或者单体原位聚合等，形成的表面构建了直径为0.1-100μm，厚度为10-100 μm的规则或不规则孔，形成一种凹陷状结构。

本发明中，两种摩擦层可在所列举的材料中选择带正、负电的材料搭配。可优选组合，如聚甲基丙烯酸甲酯/聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯/聚氨酯、聚苯乙烯/聚偏氟乙烯、聚苯乙烯/聚四氟乙烯、聚醋酸纤维素/聚氯乙烯等。

本发明提供的可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件，具有一定的柔性，在拉伸、弯曲、压缩和扭曲等外力作用下均可产生电信号。

本发明提供的可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件，可作为发电器件或传感器件，并且能够连续制备且能通过手工编织和工业纺织技术加工为织物，应用于可穿戴领域。

本发明提供的可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件，以纤维基底为轴心，通过缠裹、沉积、浸涂等方式但不限于这些方法依次将内层电极、第一摩擦生电层、第二摩擦生电层、外层电极层叠附着在纤维基底表面，最后经过封装得到同轴结构。

本发明提供的上述可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件的制备方法，具体操作流程为：

（1）可拉伸纤维状弹性基底的制备：将基底材料（如聚二甲基硅氧烷）和交联剂（如甲基含氢硅油）按照1%-10%质量百分比浓度配成溶液，再将溶液注入内径为0.5-1.0mm范围的热缩管，加热固化之后剥去外层热缩管，即得到纤维状基底（聚二甲基硅氧烷弹性基底）；

（2）柔性碳纳米管内层电极的制备：使用步骤（1）制备的纤维状聚二甲基硅氧烷弹性基底，从化学气相沉积得到的碳纳米管阵列中拉出取向碳纳米管薄膜并附着于纤维状弹性基底上，在平移台上利用步进电机将碳纳米管薄膜均匀缠裹于弹性基底上，控制平移台和电机转速，缠裹一定层数后，再用乙醇溶液使碳纳米管收缩至致密，室温下挥干乙醇，得到缠裹了柔性碳纳米管内层电极的弹性基底；

（3）第一摩擦生电层（介电层）的制备：将粒径在0.2-1.0µm范围的介电材料（如聚甲基丙烯酸甲酯微球）分散于乙醇溶液，将步骤（2）所制备的电极竖直放入上述分散液，利用不锈钢片作为对电极，在恒定直流电压下电泳沉积，得到第一摩擦生电层（介电层，如聚甲基丙烯酸甲酯微球层）；

（4）第二摩擦生电层（介电层）的制备：将介电材料（如聚二甲基硅氧烷）和交联剂（如甲基含氢硅油）按照1%-10%质量百分比浓度配成溶液，真空脱气，除去气泡；在步骤（3）制备的介电层（如聚甲基丙烯酸甲酯微球层）表面依次浸涂蔗糖溶液和蔗糖颗粒，室温晾干，将所配制的介电材料溶液（如聚二甲基硅氧烷溶液）均匀浸涂在蔗糖表面，放入烘箱处理至干燥，再将器件浸没于热水中，超声辅助溶去蔗糖层，得到与第一摩擦生电层（如聚甲基丙烯酸甲酯微球层）间隔一定距离的第二摩擦生电层（如聚二甲基硅氧烷介电层）；

（5）柔性碳纳米管外层电极的制备及封装：将步骤（4）中所制备的已涂覆第二摩擦生电层（如聚二甲基硅氧烷介电层）的纤维固定在平移台，利用步进电机将取向碳纳米管薄膜均匀缠裹于第二摩擦生电层（如聚二甲基硅氧烷介电层）表面，控制平移台和电机转速，缠裹一定层数后，用乙醇溶液使碳纳米管收缩至致密后，再次将介电材料溶液（如聚二甲基硅氧烷溶液）均匀涂敷在碳纳米管纤维表面，放入烘箱固化, 即得到可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件。

由本发明得到的可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件，选用材料性能优异，结构设计科学合理，能够将人体运动所产生的低频机械能转化为电能。首先该器件利用了两种介电常数不同的高分子材料，并通过微球层自身表面凸起结构以及模板去除的方法，在高分子介电层表面构建了微纳尺度的表面粗糙结构，增大了两种介电材料的接触面积，提高了单位面积上产生的摩擦电荷总量，从而提高了器件输出性能。其次，通过利用柔性和高导电性的取向碳纳米管薄膜缠裹在纤维基底上作为摩擦发电器件的工作电极，赋予了该器件优异的柔性和可拉伸性，并能够通过编织技术与其他柔性纤维状器件大面积集成，因此在柔性纤维状及织物状摩擦发电器件领域显示出巨大的应用潜力。

该器件不仅制备过程简单，而且具有良好的柔性，在拉伸、弯曲、压缩和扭曲作用下均可产生电信号，因此能够收集外部环境中不同方向、不同形式的机械能，并将其转化为电能。此外由于该器件自身同轴纤维状结构易于编织的特点，可以将其与其他纤维或织物状储能设备集成，不仅能作为电源为可穿戴电子设备供电，而且可以作为传感器件用来检测人体运动、生理信号。

附图说明

图1为为可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件的平面示意图。

图2 可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件的工作原理图。

图3为单根可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件在不同形变条件下的开路电压-时间曲线，依次为a弯曲、b拉伸、c扭曲、d振动。

图中标号：1. 封装层，2. 第二摩擦层，3. 内层电极，4. 弹性基底，5. 第一摩擦层，6. 外层电极。

具体实施方式

下面通过具体实施例进一步描述本发明。

实施例1

（1）纤维状弹性基底制备：将聚二甲基硅氧烷和交联剂按照质量百分比浓度为9%的配比配成溶液，将溶液注入内径为0.5 mm热缩管，在80 ℃固化2h，剥去外层热缩管，得到纤维状聚二甲基硅氧烷弹性基底；

（2）柔性碳纳米管内层电极制备：使用步骤(1)制备的纤维状聚二甲基硅氧烷弹性基底，从气相化学沉积法得到的碳纳米管阵列中拉出取向碳纳米管薄膜并附着于纤维状弹性基底上，在平移台上利用步进电机将碳纳米管膜均匀缠裹于弹性基底上，电机转速为1000r/min，缠裹层数为4层，再用乙醇溶液使碳纳米管收缩至致密，室温下挥干乙醇后得到柔性纤维状碳纳米管内层电极；

（3）聚甲基烯酸甲酯介电层制备：将粒径200nm聚甲基丙烯酸甲酯微球超声处理2min使其均匀分散于乙醇溶液（5%，质量分数)，利用不锈钢片（1.5×9 cm）作为对电极，缠裹碳纳米管薄膜的纤维基底作为工作电极，在直流30V的条件下，电泳沉积2min，得到聚甲基丙烯酸甲酯微球层作为介电层；

（4）聚二甲基硅氧烷介电层制备：将聚二甲基硅氧烷和交联剂按照质量百分比浓度为9%配成溶液，真空脱气10min。先在步骤（3）制备的聚甲基丙烯酸甲酯微球层表面依次浸涂蔗糖溶液（40%，质量分数）和蔗糖颗粒（粒径≈5µm），室温晾干，再次将所配制的聚二甲基硅氧烷溶液均匀浸涂在蔗糖表面，放入烘箱，80 ℃固化4h后，将器件浸没于热水超声（180 W，20Hz）处理2h，溶去蔗糖层即可得到聚二甲基硅氧烷介电层；

（5）柔性状碳纳米管外层电极制备：将步骤（4）中所制备的已涂覆聚二甲基硅氧烷介电层的纤维固定在平移台，利用步进电机将碳纳米管薄膜均匀缠裹于聚二甲基硅氧烷介电层表面，电机转速为1000r/min，缠裹层数为4层，用乙醇溶液使碳纳米管收缩致密后，再将聚二甲基硅氧烷溶液均匀涂敷在碳纳米管薄膜表面，室温静止至干燥，放入烘箱，80℃固化2h，得到可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件。

实施例2

（1）纤维状弹性基底制备：将聚二甲基硅氧烷和交联剂按照质量百分比浓度为9%的配比配成溶液，将溶液注入内径为1.0mm热缩管，在80 ℃固化2.5 h，剥去外层热缩管，得到纤维状聚二甲基硅氧烷弹性基底；

（2）柔性碳纳米管内层电极制备：使用步骤(1)制备的纤维状聚二甲基硅氧烷弹性基底；从气相化学沉积法得到的碳纳米管阵列中拉出取向碳纳米管薄膜并附着于纤维状弹性基底上，在平移台上利用步进电机将碳纳米管薄膜均匀缠裹于弹性基底上，电机转速为1500r/min, 缠裹层数为5层，再用乙醇溶液使碳纳米管收缩至致密，室温下挥干乙醇后得到柔性碳纳米管内层电极；

（3）聚甲基烯酸甲酯介电层制备：将粒径500 nm聚甲基丙烯酸甲酯微球超声5min 使其均匀分散于乙醇溶液（(10%，质量分数)，利用不锈钢片（1.5×9 cm）作为对电极，已缠裹碳纳米管薄膜的纤维状基底作为工作电极，在直流30V的条件下，电泳沉积3 min，得到聚甲基丙烯酸甲酯微球层作为介电层；

（4）聚二甲基硅氧烷介电层制备：将聚二甲基硅氧烷和交联剂按照质量百分比浓度为9%配成溶液，真空脱气10min。在步骤（3）制备的聚甲基丙烯酸甲酯微球层表面依次浸涂蔗糖溶液（50%，质量分数）和蔗糖颗粒（粒径≈50 µm），室温晾干，再将所配制的聚二甲基硅氧烷溶液均匀浸涂在蔗糖表面，放入烘箱，80 ℃处理4h后，将器件浸没于热水超声（180 W，20Hz）处理2 h，溶去蔗糖层后得到聚二甲基硅氧烷介电层；

（5）柔性碳纳米管外层电极制备：将步骤（4）中所制备的已涂覆聚二甲基硅氧烷介电层的纤维固定在平移台，利用步进电机将碳纳米管膜均匀缠裹于聚二甲基硅氧烷介电层表面，电机转速为1500r/min，缠裹层数为5层，用乙醇溶液使碳纳米管收缩致密后，再次将聚二甲基硅氧烷溶液均匀涂敷在碳纳米管薄膜表面，室温静止至干燥，放入烘箱，80 ℃固化2h，得到可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件。

实施例3

（1）纤维状弹性基底制备：将聚二甲基硅氧烷和交联剂按照质量百分比浓度为9%的配比配成溶液，将溶液注入内径为1.5mm热缩管，在80 ℃固化3 h，剥去外层热缩管，得到纤维状聚二甲基硅氧烷弹性基底；

（2）柔性碳纳米管内层电极制备：使用步骤（2）制备的纤维状聚二甲基硅氧烷弹性基底；从气相化学沉积法得到的碳纳米管阵列中拉出取向碳纳米管薄膜并附着于纤维状弹性基底上，然后在平移台上利用步进电机将碳纳米管薄膜均匀缠裹于弹性基底上，电机转速为2000r/min, 缠裹层数为6层，再用乙醇溶液使碳纳米管收缩至致密，室温下挥干乙醇后得到柔性纤维状碳纳米管内层电极；

（3）聚甲基丙烯酸甲酯介电层制备：将粒径1.0 µm的聚甲基丙烯酸甲酯微球超声5min均匀分散于乙醇溶液（(15%，质量分数)，利用不锈钢片（1.5×9 cm）作为对电极，缠裹碳纳米管薄膜的纤维状弹性基底作为工作电极，在直流30V的条件下，电泳沉积5min，得到聚甲基丙烯酸甲酯微球层作为介电层；

（4）聚二甲基硅氧烷介电层制备：将聚二甲基硅氧烷和交联剂按照质量百分比浓度为9%配成溶液，真空脱气10min。在步骤（3）制备的聚甲基丙烯酸甲酯微球层表面依次浸涂蔗糖溶液（60%，质量分数）和蔗糖颗粒（粒径≈100 µm），室温晾干，再将所配制的聚二甲基硅氧烷溶液均匀浸涂在蔗糖表面，放入烘箱，80 ℃处理4h后，将器件浸没于热水超声（180 W，20Hz）处理2 h，溶去蔗糖层后得到聚二甲基硅氧烷介电层；

（5）柔性碳纳米管外层电极制备：将步骤（4）中所制备的已涂覆聚二甲基硅氧烷介电层的纤维固定在平移台，利用步进电机将碳纳米管薄膜均匀缠裹于聚二甲基硅氧烷介电层表面，电机转速为2000 r/min，缠裹层数为6层，用乙醇溶液使碳纳米管收缩致密后，再次将聚二甲基硅氧烷溶液均匀涂敷在碳纳米管薄膜表面，室温静止至干燥，放入烘箱，80 ℃固化2h，得到可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件。

实施例4

（1）纤维状弹性基底制备：将聚氨酯固体颗粒和N, N-二甲基乙酰胺按照质量百分比浓度为5%的配比配成溶液，将溶液注入内径为0.5mm热缩管，在80 ℃固化4h，剥去外层热缩管，得到纤维状聚氨酯弹性基底；

（2）柔性碳纳米管内层电极制备：使用步骤（2）制备的纤维状聚氨酯弹性基底；从气相化学沉积法得到的碳纳米管阵列中拉出取向碳纳米管薄膜并附着于纤维状弹性基底上，然后在平移台上利用步进电机将碳纳米管薄膜均匀缠裹于弹性基底上，电机转速为1000r/min, 缠裹层数为4层，再用乙醇溶液使碳纳米管收缩至致密，室温下挥干乙醇后得到柔性纤维状碳纳米管内层电极；

（3）聚苯乙烯介电层制备：将粒径0.1µm的聚苯乙烯微球超声5min 均匀分散于乙醇溶液(5%，质量分数)，利用不锈钢片（1.5×9 cm）作为对电极，缠裹碳纳米管薄膜的纤维状弹性基底作为工作电极，在直流30V的条件下，电泳沉积2min，得到聚苯乙烯微球层作为介电层；

（4）聚氨酯介电层制备：将聚氨酯固体颗粒和N, N-二甲基乙酰胺按照质量百分比浓度为5%的配比配成溶液，真空脱气10min。在步骤（3）制备的聚苯乙烯微球层表面依次浸涂蔗糖溶液（40%，质量分数）和蔗糖颗粒（粒径≈5 µm），室温晾干，再将所配制的聚氨酯溶液均匀浸涂在蔗糖表面，放入烘箱，80 ℃处理4h后，将器件浸没于热水超声（180W，20Hz）处理2h，溶去蔗糖层后得到聚氨酯介电层；

（5）柔性碳纳米管外层电极制备：将步骤（4）中所制备的已涂覆聚氨酯介电层的纤维固定在平移台，利用步进电机将碳纳米管薄膜均匀缠裹于聚氨酯介电层表面，电机转速为1000 r/min，缠裹层数为4层，用乙醇溶液使碳纳米管收缩致密后，再次将聚氨酯溶液均匀涂敷在碳纳米管薄膜表面，室温静止至干燥，放入烘箱，80 ℃固化4 h，得到可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件。

实施例5

（1）纤维状弹性基底制备：将聚氨酯固体颗粒和N, N-二甲基乙酰胺按照质量百分比浓度为10%的配比配成溶液，将溶液注入内径为1.0mm热缩管，在80 ℃固化5h，剥去外层热缩管，得到纤维状聚氨酯弹性基底。

（2）柔性碳纳米管内层电极制备：使用步骤(1)制备的纤维状聚氨酯弹性基底；从气相化学沉积法得到的碳纳米管阵列中拉出取向碳纳米管薄膜并附着于纤维状弹性基底上，在平移台上利用步进电机将碳纳米管薄膜均匀缠裹于弹性基底上，电机转速为1500r/min, 缠裹层数为5层，再用乙醇溶液使碳纳米管收缩至致密，室温下挥干乙醇后得到柔性碳纳米管内层电极；

（3）聚苯乙烯介电层制备：将粒径0.2µm聚苯乙烯微球超声5min 使其均匀分散于乙醇溶液（(10%，质量分数)，利用不锈钢片（1.5×9 cm）作为对电极，已缠裹碳纳米管薄膜的纤维状基底作为工作电极，在直流30V的条件下，电泳沉积3 min，得到聚苯乙烯微球层作为介电层；

（4）聚氨酯介电层制备：将聚氨酯固体颗粒和N, N-二甲基乙酰胺按照质量百分比浓度为10%的配比配成溶液，真空脱气10min。在步骤（3）制备的聚苯乙烯微球层表面依次浸涂蔗糖溶液（50%，质量分数）和蔗糖颗粒（粒径≈50 µm），室温晾干，再将所配制的聚氨酯溶液均匀浸涂在蔗糖表面，放入烘箱，80 ℃处理4h后，将器件浸没于热水超声（180 W，20Hz）处理2h，溶去蔗糖层后得到聚氨酯介电层；

（5）柔性碳纳米管外层电极制备：将步骤（4）中所制备的已涂覆聚氨酯介电层的纤维固定在平移台，利用步进电机将碳纳米管膜均匀缠裹于聚氨酯介电层表面，电机转速为1500r/min，缠裹层数为5层，用乙醇溶液使碳纳米管收缩致密后，再次将聚氨溶液均匀涂敷在碳纳米管薄膜表面，室温静止至干燥，放入烘箱，80 ℃固化2 h，得到可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件。

实施例6

（1）纤维状弹性基底制备：将聚氨酯固体颗粒和N, N-二甲基乙酰胺按照质量百分比浓度为15%的配比配成溶液，将溶液注入内径为1.5mm热缩管，在80 ℃固化6 h，剥去外层热缩管，得到纤维状聚氨酯弹性基底；

（2）柔性碳纳米管内层电极制备：使用步骤（2）制备的纤维状聚氨酯弹性基底；从气相化学沉积法得到的碳纳米管阵列中拉出取向碳纳米管薄膜并附着于纤维状弹性基底上，然后在平移台上利用步进电机将碳纳米管薄膜均匀缠裹于弹性基底上，电机转速为2000r/min, 缠裹层数为6层，再用乙醇溶液使碳纳米管收缩至致密，室温下挥干乙醇后得到柔性纤维状碳纳米管内层电极；

（3）聚苯乙烯介电层制备：将粒径0.3µm的聚苯乙烯微球超声5min 均匀分散于乙醇溶液（(15%，质量分数)，利用不锈钢片（1.5×9 cm）作为对电极，缠裹碳纳米管薄膜的纤维状弹性基底作为工作电极，在直流30V的条件下，电泳沉积5min，得到聚苯乙烯微球层作为介电层；

（4）聚氨酯介电层制备：将聚氨酯固体颗粒和N, N-二甲基乙酰胺按照质量百分比浓度为15%的配比配成溶液，真空脱气10min。在步骤（3）制备的聚苯乙烯微球层表面依次浸涂蔗糖溶液（60%，质量分数）和蔗糖颗粒（粒径≈100 µm），室温晾干，再将所配制的聚氨酯溶液均匀浸涂在蔗糖表面，放入烘箱，80 ℃处理4h后，将器件浸没于热水超声（180 W，20Hz）处理2 h，溶去蔗糖层后得到聚氨酯介电层；

（5）柔性碳纳米管外层电极制备：将步骤（4）中所制备的已涂覆聚氨酯介电层的纤维固定在平移台，利用步进电机将碳纳米管薄膜均匀缠裹于聚氨酯介电层表面，电机转速为2000 r/min，缠裹层数为6层，用乙醇溶液使碳纳米管收缩致密后，再次将聚氨酯介电层溶液均匀涂敷在碳纳米管薄膜表面，室温静止至干燥，放入烘箱，80 ℃固化2 h，得到可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件。

Claims (9)

1.一种可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件，其特征在于，利用介电常数不同的高分子材料作为不同的摩擦生电层，取向碳纳米管薄膜作为电荷感应和收集电极；该器件包括：

（1）内层电极，由碳纳米管纤维缠在纤维基底表面而成；

（2）第一摩擦生电层，为在内层电极外表面的一层介电材料；

（3）第二摩擦生电层，为在第一摩擦生电层外面的一层介电材料；

（4）外层电极，为缠绕在第二摩擦生电层外的一层碳纳米管纤维；

器件封装在高分子材料中。

2.根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述的纤维基底具有弹性，基底材料为高分子材料，其直径为0.1-10mm。

3. 根据权利要求1所述的器件，其特征在于，所述的内层电极和外层电极的碳纳米管纤维，具有取向结构与良好的导电性，其电阻为200-1000Ω/cm，厚度为20-2000 nm；碳纳米管纤维以不同角度缠绕在基底表面。

4. 根据权利要求1、2或3所述的器件，其特征在于，所述的介电材料具有摩擦生电能力，其中第一摩擦生电层与第二摩擦生电层具有相反的摩擦生电序列，第一摩擦生电层和第二摩擦生电层之间形成摩擦界面，其距离为1-200 μm，在外力作用下二者发生接触或分离。

5. 根据权利要求4所述的器件，其特征在于，所述介电材料分别为易带正电与易带负电的聚合物材料，易带正电的材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚醋酸纤维素、聚醋酸乙烯酯、聚乳酸，其粒径为0.01-10.0 μm；制备方法包括电泳沉积、胶体自组装方式，形成的表面具有微纳尺度的凸起结构，厚度为10-100 μm；易带负电的材料选自聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚对苯二甲酸乙二醇酯，制备方法包括高分子溶液浸涂、沾涂或者单体原位聚合，形成的表面构建有直径为0.1-100μm，厚度为10-100 μm的规则或不规则孔，形成一种凹陷状结构；两种摩擦层在所列举的材料中选择带正、负电的材料搭配。

6.根据权利要求1或5所述的器件，其特征在于，两种摩擦层组合为：聚甲基丙烯酸甲酯/聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯/聚偏氟乙烯、聚苯乙烯/聚四氟乙烯或聚醋酸纤维素/聚氯乙烯。

7.如权利要求1所述的器件的制备方法，其特征在于，以纤维基底为轴心，通过缠裹、沉积、浸涂方式，依次将内层电极、第一摩擦生电层、第二摩擦生电层、外层电极层叠附着在纤维基底表面，最后经过封装得到同轴结构的器件。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，具体操作步骤为：

（1）可拉伸纤维状弹性基底的制备：将聚二甲基硅氧烷和交联剂甲基含氢硅油按照质量百分比浓度为1-10%的配比配成溶液，再将溶液注入内径为0.5-1.0mm范围的热缩管，加热固化之后剥去外层热缩管，即得到纤维状聚二甲基硅氧烷弹性基底；

（2）柔性碳纳米管内层电极的制备：使用步骤（1）制备的纤维状聚二甲基硅氧烷弹性基底，从化学气相沉积得到的碳纳米管阵列中拉出取向碳纳米管薄膜并附着于纤维状弹性基底上，在平移台上利用步进电机将碳纳米管薄膜均匀缠裹于弹性基底上，控制平移台和电机转速，缠裹一定层数后，再用乙醇溶液使碳纳米管收缩至致密，室温下挥干乙醇，得到缠裹了柔性碳纳米管内层电极的弹性基底；

（3）第一摩擦生电层的制备：将粒径在0.2-1.0µm范围的介电材料分散于乙醇溶液，将步骤（2）所制备的电极竖直放入上述分散液，利用不锈钢片作为对电极，在恒定直流电压下电泳沉积，得到第一摩擦生电层；

（4）第二摩擦生电层的制备：将介电材料和交联剂甲基含氢硅油按照质量百分比浓度为1-10%的配比配成溶液，真空脱气，除去气泡；在步骤（3）制备的第一摩擦生电层表面依次浸涂蔗糖溶液和蔗糖颗粒，室温晾干，将所配制的介电材料溶液均匀浸涂在蔗糖表面，放入烘箱处理至干燥，再将器件浸没于热水中，超声辅助溶去蔗糖层，得到与第一摩擦生电层间隔一定距离的第二摩擦生电层；

（5）柔性碳纳米管外层电极的制备及封装：将步骤（4）中所制备的已涂覆第二摩擦生电层（的纤维固定在平移台，利用步进电机将取向碳纳米管薄膜均匀缠裹于第二摩擦生电层表面，控制平移台和电机转速，缠裹一定层数后，用乙醇溶液使碳纳米管收缩至致密后，再次将介电材料溶液均匀涂敷在碳纳米管纤维表面，放入烘箱固化, 即得到可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件。

9.一种由权利要求1-7之一所述的可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件在可穿戴领域的应用，包括通过手工编织和工业纺织技术加工为织物。