CN109787503A - 纳米发电机以及具有该纳米发电机的纺织品和防水设备 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种纳米发电机以及具有该纳米发电机的纺织品和防水设备。所述纳米发电机包括：第一摩擦单元，所述第一摩擦单元包括第一电极层；和第二摩擦单元，所述第二摩擦单元包括第二摩擦层以及设在所述第二摩擦层上的第二电极层，其中，所述第一摩擦单元与所述第二摩擦层配合以便摩擦起电，所述第一电极层和所述第二电极层中的至少一个为导电纺织品层。根据本发明实施例的纳米发电机具有实用性强、反应灵敏、更加充分地、有效地利用外界的能量等优点。
Description
技术领域
本发明涉及能量转化领域，具体地，涉及纳米发电机，还涉及具有该纳米发电机的纺织品和防水设备。
背景技术
纳米发电机可以将环境中普遍存在的微小机械能转变为电能，从而可以提供新型、高功率、低成本、环境友好的二次能源。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术存在的问题，提供纳米发电机以及具有该纳米发电机的纺织品和防水设备。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种纳米发电机，所述纳米发电机包括：第一摩擦单元，所述第一摩擦单元包括第一电极层；和第二摩擦单元，所述第二摩擦单元包括第二摩擦层以及设在所述第二摩擦层上的第二电极层，其中，所述第一摩擦单元与所述第二摩擦层配合以便摩擦起电，所述第一电极层和所述第二电极层中的至少一个为导电纺织品层。
根据本发明实施例的纳米发电机通过使第一电极层和第二电极层中的至少一个为导电纺织品层，从而可以利用纳米发电机直接制成纺织品或者以外加组件的形式置于纺织品(例如雨伞、遮雨棚、雨衣、服装、鞋或旗帜等)上，即该纺织品可以包括纳米发电机，由此可以极大地提高纳米发电机的实用性，易于实现产业化。
而且，由于第一电极层和第二电极层中的至少一个为导电纺织品层，因此纳米发电机具有一定的柔性和韧性。与现有的利用块材制造的纳米发电机相比，根据本发明实施例的纳米发电机对微小力量的反应会更加明显，从而可以更加充分地、有效地利用外界的能量。
因此，根据本发明实施例的纳米发电机具有实用性强、反应灵敏、更加充分地、有效地利用外界的能量的优点。
优选地，所述导电纺织品层为导电布层；优选地，所述导电布层的厚度为400μm-600μm，所述导电布层由包括不锈钢纤维和聚脂纤维编织的导电布制成。
优选地，所述第二摩擦层为凝胶层，优选地，所述第二摩擦层为硅胶层或树脂层。
优选地，所述第二摩擦层的一部分渗入到所述第二电极层内。
优选地，所述第二摩擦层包括：本体，所述本体具有相对的第一表面和第二表面，所述第二电极层设在所述本体的第一表面上；和多个弹性的摩擦凸起，多个所述摩擦凸起间隔开地设在所述本体的第二表面上。
优选地，每个所述摩擦凸起的高度大于等于1毫米且小于2毫米。
优选地，所述第二表面的未设置所述摩擦凸起的部分的面积与所述第二表面的面积之比大于等于78％且小于等于95％。
优选地，每个所述摩擦凸起的竖直截面为三角形或者矩形。
优选地，所述第二摩擦层的厚度小于等于2毫米。
优选地，所述纳米发电机进一步包括隔离层，所述隔离层设在第一摩擦单元与第二摩擦单元之间；所述隔离层包括所述摩擦凸起可以穿透的孔洞；优选地，所述隔离层的厚度为33μm-60μm。
优选地，所述隔离层为隔离网，所述隔离网包括多个所述摩擦凸起能够穿过的网孔。
优选地，所述第一摩擦单元还包括第一摩擦层，所述第一电极层设在所述第一摩擦层上，使所述第一摩擦层面向所述第二摩擦层设置。
优选地，所述纳米发电机进一步包括：第一防水层，所述第一防水层设在所述第一电极层上；和/或，第二防水层，所述第二防水层设在所述第二电极层上，所述第二电极层位于所述第二防水层与所述第二摩擦层之间；优选的，所述第一防水层或第二防水层中的厚度为60μm-80μm。
优选地，所述第一防水层或第二防水层为EVA层。
本发明第二方面提供纺织品，所述纺织品包括根据本发明第一方面所述的纳米发电机。
本发明第二方面提供防水设备，所述防水设备包括根据本发明第一方面所述的纳米发电机，优选地，所述防水设备为雨衣、雨伞或遮雨棚。
附图说明
图1是根据本发明实施例的纳米发电机的结构示意图；
图2a-图2d是根据本发明实施例的纳米发电机的工作原理图；
图3a为在不同雨量条件时，根据本发明实施例的纳米发电机的单位面积电压输出曲线；
图3b为在不同雨量条件时，根据本发明实施例的纳米发电机的电流密度输出曲线；
图4a为在不同风速条件时，根据本发明实施例的纳米发电机的单位面积电压输出曲线；
图4b为在不同风速条件时，根据本发明实施例的纳米发电机的电流密度输出曲线。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，根据本发明实施例的纳米发电机10包括第一摩擦单元110和第二摩擦单元120。第一摩擦单元110包括第一摩擦层111以及设在第一摩擦层111上的第一电极层112。第二摩擦单元120包括第二摩擦层121以及设在第二摩擦层121上的第二电极层122。第一摩擦层111与第二摩擦层121面对面设置，互相配合以便摩擦起电。其中，第一电极层112和第二电极层122中的至少一个为导电纺织品层。其中，第一摩擦层与第二摩擦层的材料为不同材料，在摩擦接触时表面带有不同种电荷。
根据本发明实施例的纳米发电机10通过使第一电极层112和第二电极层122中的至少一个为导电纺织品层，从而可以利用纳米发电机10直接制成纺织品或者以外加组件的形式置于纺织品(例如服装、鞋或旗帜等)上，即该纺织品可以包括纳米发电机10，由此可以极大地提高纳米发电机10的实用性，易于实现产业化。可以使整个纳米发电机10都为柔性结构，便于作为纺织品。
而且，由于第一电极层112和第二电极层122中的至少一个为导电纺织品层，因此纳米发电机10具有一定的柔性和韧性。与现有的利用块材制造的纳米发电机相比，根据本发明实施例的纳米发电机10对微小力量的反应会更加明显，从而可以更加充分地、有效地利用外界的能量。
因此，根据本发明实施例的纳米发电机10具有实用性强、反应灵敏、更加充分地、有效地利用外界的能量等优点。
如图1所示，在本发明的一些实施例中，纳米发电机10可以包括第一摩擦单元110、第二摩擦单元120、第一防水层130和第二防水层140。第一摩擦单元110可以包括第一摩擦层111以及设在第一摩擦层111上的第一电极层112，第二摩擦单元120可以包括第二摩擦层121以及设在第二摩擦层121上的第二电极层122。
本领域技术人员可以理解的是，第一摩擦层111与第二摩擦层121相对设置，第一摩擦层111相对第二摩擦层121在脱离位置与摩擦位置之间可移动地设置。其中，在该脱离位置，第一摩擦层111不与第二摩擦层121接触，在该摩擦位置，第一摩擦层111与第二摩擦层121摩擦以便产生电荷。
优选地，第一电极层112和第二电极层122中的每一个都可以是导电纺织品层。由此可以进一步提高纳米发电机10的柔性，且更加容易地利用纳米发电机10制成质量更好的纺织品。
第一电极层112和第二电极层122中的每一个都可以是导电布层，即该导电纺织品层可以是该导电布层。其中，该导电布层的厚度可以是400μm-600μm。优选地，该导电布层的厚度可以是500μm。
该导电布层可以包括纤维布层和金属层，该金属层可以通过电镀的方式附着在该纤维布层上。此外，该导电布层还可以由包括不锈钢纤维和聚脂纤维的导电布制成。换言之，该导电布可以由不锈钢纤维和聚脂纤维编织成(例如平织)。
在本发明的一个实施例中，第一摩擦层111也可以是该导电纺织品层。也就是说，第一摩擦层111和第一电极层112可以一体形成，即第一摩擦单元110可以是该导电纺织品层。换言之，该导电纺织品层兼具摩擦层和电极层的作用。
优选地，第二摩擦层121可以是凝胶层，即第二摩擦层121可以由凝胶制成。例如，第二摩擦层121可以是硅胶层或树脂层，即第二摩擦层121可以由硅胶或树脂制成。更加优选地，第二摩擦层121的厚度可以小于等于2毫米。由此可以防止纳米发电机10的厚度过大。
如图1所示，在本发明的一些示例中，第二摩擦层121可以包括本体1211和多个弹性摩擦凸起1212。本体1211可以具有相对的第一表面和第二表面，第二电极层122可以设在本体1211的第一表面上。多个弹性摩擦凸起1212可以间隔开地设在本体1211的第二表面上，多个弹性摩擦凸起1212位于本体1211与第一摩擦层111之间。
当利用纳米发电机10产生电能时，第一摩擦层111向邻近第二摩擦层121的方向移动，进而第一摩擦层111与第二摩擦层121接触、摩擦。在上述过程中，第一摩擦层111对多个弹性摩擦凸起1212施加作用力，以便使每个弹性摩擦凸起1212产生变形。由于每个弹性摩擦凸起1212都具有弹性，因此弹性摩擦凸起1212对第一摩擦层111施加反作用力，以便回推第一摩擦层111，从而可以使第一摩擦层111与第二摩擦层121分离。
由此，通过设置多个弹性摩擦凸起1212，从而可以确保第一摩擦层111与第二摩擦层121分离，以便有效地防止第一摩擦层111与第二摩擦层121在静电产生的吸附力的作用下无法分离，即可以有效地防止第一摩擦层111与第二摩擦层121因静电产生的吸附力的作用而无法分离。
优选地，每个弹性摩擦凸起1212的高度可以大于等于1毫米且小于2毫米。由此可以使每个弹性摩擦凸起1212产生足够大的变形，进而可以向第一摩擦层111施加足够大的反作用力，从而可以进一步确保第一摩擦层111与第二摩擦层121分离。
更加优选地，本体1211的第二表面的未设置弹性摩擦凸起1212的部分的面积与本体1211的第二表面的面积之比大于等于78％且小于等于95％。也就是说，本体1211的第二表面的设有弹性摩擦凸起1212的部分的面积与本体1211的第二表面的面积之比小于等于22％。由此可以防止第二摩擦层121的第二表面的用于与第一摩擦层111摩擦的部分的面积过小，从而可以确保纳米发电机10能够产生足够的摩擦电荷，即可以确保通过第一摩擦层111与第二摩擦层121摩擦产生足够的电荷。
如图1所示，第二摩擦层121可以包括多个摩擦凸起1212，摩擦凸起1212的形状可以为多种，可以为柱状(如图1中摩擦凸起1212a)或者三棱锥状(如图1中摩擦凸起1212b)，多个摩擦凸起1212可以间隔开地设在本体1211的第二表面上。
通过在本体1211的第二表面上设置与本体材料相同的多个摩擦凸起1212，从而不仅可以增加本体1211的第二表面的粗糙度，以便提高本体1211的第二表面的摩擦系数，而且可以增加本体1211的第二表面的摩擦面积，由此可以增加第一摩擦层111与第二摩擦层121之间的摩擦力，以便通过第一摩擦层111与第二摩擦层121摩擦产生更多的电荷。
优选地，如图1所示，每个摩擦凸起1212的竖直截面(即以竖直面截取摩擦凸起1212得到的截面)可以是三角形或者矩形等形状。由此可以进一步提高本体1211的第二表面的摩擦系数。
在本发明的一个具体示例中，第二摩擦层121(本体1211)材料的一部分可以渗入到第二电极层122内。由此可以使第二摩擦层121和第二电极层122更加牢固地结合在一起。下面将在纳米发电机10的制备过程中进一步对此进行描述。
纳米发电机10可以进一步包括隔离层(图中未示出)，该隔离层可以设在第一摩擦单元与第二摩擦单元之间。以第一摩擦单元110包括第一电极层112和第一摩擦层111为例，通过在第一摩擦层111与第二摩擦层121之间设置该隔离层，从而可以进一步防止第一摩擦层111与第二摩擦层121在静电产生的吸附力的作用下无法分离。
隔离层包括摩擦凸起1212可以穿透的孔洞，可以为多孔网状布料，材质可为尼龙或聚脂纤维等纤维布料。该隔离层的厚度可以是33μm-60μm。如果该隔离层的厚度小于33μm，则会减弱该隔离层的分离第一摩擦层111和第二摩擦层121的作用。如果该隔离层的厚度大于60μm，则会减弱第一摩擦层111与第二摩擦层121的摩擦程度，进而减小纳米发电机10产生的摩擦电荷。该隔离层的厚度越大，第一摩擦层111与第二摩擦层121的摩擦程度越小，甚至会导致第一摩擦层111与第二摩擦层121无法接触。
该隔离层可以是隔离网(例如尼龙网)，即该隔离层可以是网状布料。换言之，该隔离层可以具有多个网孔，多个弹性摩擦凸起1212可以穿过该隔离网的网孔与第一摩擦层互相接触分离。由此可以使纳米发电机10的结构更加合理。
如图1所示，在本发明的一个具体示例中，第一防水层130可以设在第一电极层112上，第一电极层112可以位于第一防水层130与第一摩擦层111之间。第二防水层140可以设在第二电极层122上，第二电极层122可以位于第二防水层140与第二摩擦层121之间。
现有的纳米发电机只能将风能以及人体动作的能量转化为电能，因此现有的纳米发电机存在应用范围较窄的缺陷。根据本发明实施例的纳米发电机10通过设置第一防水层130和第二防水层140，从而可以将水流的能量(例如雨滴落下的重力位能)转化为电能，由此可以极大地扩展纳米发电机10的获取能量的范围以及应用范围。
因此，可以利用纳米发电机10直接制成防水设备或者以外加组件的形式置于防水设备上，即该防水设备可以包括具有第一防水层130和第二防水层140的纳米发电机10。优选地，该防水设备可以是雨衣、雨伞或遮雨棚。其中，具有第一防水层130和第二防水层140的纳米发电机10也可以将风能以及人体动作的能量转化为电能。
例如，当该防水设备为雨伞时，可以利用雨伞获取雨水的力量以点亮发光二极管，从而在雨天可以增加人身安全。
第一防水层130可以通过粘结剂固定在第一电极层112上，第二防水层140也可以通过粘结剂固定在第二电极层122上。优选地，第一防水层130和第二防水层140中的每一个可以是EVA(乙烯-醋酸乙烯共聚物)层，即第一防水层130和第二防水层140中的每一个可以由EVA制成。
第一防水层130和第二防水层140中的每一个的厚度可以是60μm-80μm。由此可以防止纳米发电机10的厚度过大。优选地，第一防水层130和第二防水层140中的每一个的厚度可以是70μm。
下面以第二摩擦层121为硅胶层为例，简要地描述根据本发明实施例的纳米发电机10的制备过程。
以聚丙烯板为衬底，在该聚丙烯板的上表面上加工出深度为2毫米的凹槽，并在该凹槽的底壁面上加工出网格状结构。例如，在该凹槽的底壁面上设置排列成网格图案的砂纸，该砂纸有助于增加接触表面积，该砂纸表面的颗粒的高度差可以是1毫米。可以在该聚丙烯板上设置尼龙网作为隔离层，以便使第一摩擦层111与第二摩擦层121更加容易地分离。
接着，向该凹槽内倒入液态的硅胶，然后将导电布(第二电极层122)放置在该凹槽内的硅胶的上表面上，由此可以使一部分硅胶渗入到该导电布内。待液态的硅胶固化后，将硅胶(硅胶层)与该聚丙烯板分离。由此可以使该硅胶层具有网格状结构，并在表面分布有多个硅胶的摩擦凸起1212，弹性摩擦凸起1212的高度约1毫米，可以通过改变砂纸的粗糙度来改变弹性摩擦凸起1212的高度。弹性摩擦凸起1212的形状可以由相邻的砂纸之间的空隙的形状决定。该凹槽的深度减去该砂纸的高度就是该硅胶层的本体1211的高度(厚度)。
将一个EVA层(第二防水层140)粘结在该导电布上，然后将另一个EVA层(第一防水层130)粘结在另一个导电布(第一摩擦单元110)上。由此可以得到纳米发电机10。
下面以第二摩擦层121为硅胶层、第一电极层112为导电纺织品层为例，参考图2a-图2d描述根据本发明实施例的纳米发电机10的工作原理。
当第一摩擦层111与第二摩擦层121不接触时(如图1所示)，第一摩擦单元110和第二摩擦层121都不带任何电性。在外力(例如雨水拍打产生的力、风吹动产生的力、人体动作产生的力等)的作用下，第一摩擦单元110与第二摩擦层121产生摩擦。由于第二摩擦层121的电子亲和能不同于第一摩擦单元110的电子亲和能，因此第二摩擦层121带负电性，第一摩擦单元110则会带正电性，如图2a所示。
第一摩擦单元110与第二摩擦层121初次分离后，第二电极层122为中和周围负电荷环境会将自身的电子导出，从而形成一个电压/电流，如图2b和图2c所示。
当第一摩擦单元110和第二摩擦层121再次接触时，电子将会从第一摩擦单元110流向第二电极层122。在第二摩擦层121表面的负电荷将会在第二电极层122上感应出正电荷，使电子从第二电极层122向第一摩擦单元110的第一电极层流动。电荷流动过程可以给外部负载提供电压/电流信号的输出，如图2d所示。
当增加第一摩擦单元110与第二摩擦层121之间的距离的时候，第二摩擦层121的表面的负摩擦电荷全部被第二电极层122的正电荷所屏蔽，这时没有任何信号输出。当第一摩擦单元110与第二摩擦层121重新减少到完全解除该屏蔽时，第二电极层122中的感应正电荷将会减少，这时电子的流动方向是从第一摩擦单元110到第二电极层122，再次形成一个反向的电压/电流信号输出。
根据本发明实施例的包括第一防水层130和第二防水层140的纳米发电机10可以利用雨水动能产生电能，如图3a和图3b所示。在雨量为31.8ml/s时，单位面积约有几十伏的电压输出；在雨量增加为111.85ml/s时，输出约为850伏/平方米，电流密度约为160微安/平方米。测试结果表明雨量越大，输出电信号越强。
根据本发明实施例的纳米发电机10(可以不包括第一防水层130和第二防水层140)还可以利用风吹的力量产生电能，如图4a和图4b所示，风速为4.5m/s，就可以有电压输出，当风速增加到15.4m/s时，输出约达到1000伏/平方米，电流密度达到约150微安/平方米。当风吹在纳米发电机10上，会使纳米发电机10的内部产生震荡，因此可以不断产生接触与分离的效果。可以将本发明的发电机做成旗子等，收集自然无处不在的风能转变为电能进行利用。
根据本发明实施例的纳米发电机10(可以不包括第一防水层130和第二防水层140)，可以将其设置在人体活动部位，例如肘部、膝部等部位，还可以利用人体运动产生电能。因此，本发明的纳米发电机10可以作为一种可穿戴的纺织品使用。例如，将纳米发电机10设置在肘部，运动时可以产生约75伏的脉冲电信号输出；拍打设置在腕部的纳米发电机10时可以产生约120伏的脉冲电信号输出。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。
Claims (16)
1.一种纳米发电机，其特征在于，包括：
第一摩擦单元，所述第一摩擦单元包括第一电极层；和
第二摩擦单元，所述第二摩擦单元包括第二摩擦层以及设在所述第二摩擦层上的第二电极层，其中，所述第一摩擦单元与所述第二摩擦层配合以便摩擦起电，所述第一电极层和所述第二电极层中的至少一个为导电纺织品层。
2.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于，所述导电纺织品层为导电布层；
优选地，所述导电布层的厚度为400μm-600μm，所述导电布层由包括不锈钢纤维和聚脂纤维编织的导电布制成。
3.根据权利要求1或2所述的纳米发电机，其特征在于，所述第二摩擦层为凝胶层，优选地，所述第二摩擦层为硅胶层或树脂层。
4.根据权利要求3所述的纳米发电机，其特征在于，所述第二摩擦层的一部分渗入到所述第二电极层内。
5.根据权利要求3或4所述的纳米发电机，其特征在于，所述第二摩擦层包括：
本体，所述本体具有相对的第一表面和第二表面，所述第二电极层设在所述本体的第一表面上；和
多个弹性的摩擦凸起，多个所述摩擦凸起间隔开地设在所述本体的第二表面上。
6.根据权利要求5所述的纳米发电机，其特征在于，每个所述摩擦凸起的高度大于等于1毫米且小于2毫米。
7.根据权利要求5或6所述的纳米发电机，其特征在于，所述第二表面的未设置所述摩擦凸起的部分的面积与所述第二表面的面积之比大于等于78％且小于等于95％。
8.根据权利要求5-7任一项所述的纳米发电机，其特征在于，每个所述摩擦凸起的竖直截面为三角形或者矩形。
9.根据权利要求5-8任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述第二摩擦层的厚度小于等于2毫米。
10.根据权利要求1-9任一项所述的纳米发电机，其特征在于，进一步包括隔离层，所述隔离层设在第一摩擦单元与第二摩擦单元之间；所述隔离层包括所述摩擦凸起可以穿透的孔洞；优选地，所述隔离层的厚度为33μm-60μm。
11.根据权利要求10所述的纳米发电机，其特征在于，所述隔离层为隔离网，所述隔离网包括多个所述摩擦凸起能够穿过的网孔。
12.根据权利要求1-10任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦单元还包括第一摩擦层，所述第一电极层设在所述第一摩擦层上，使所述第一摩擦层面向所述第二摩擦层设置。
13.根据权利要求1-12任一项所述的纳米发电机，其特征在于，进一步包括：
第一防水层，所述第一防水层设在所述第一电极层上；和/或，
第二防水层，所述第二防水层设在所述第二电极层上，所述第二电极层位于所述第二防水层与所述第二摩擦层之间；
优选的，所述第一防水层或第二防水层中的厚度为60μm-80μm。
14.根据权利要求13所述的纳米发电机，其特征在于，所述第一防水层或第二防水层为EVA层。
15.一种纺织品，其特征在于，包括根据权利要求1-12中任一项所述的纳米发电机。
16.一种防水设备，其特征在于，包括根据权利要求13或14所述的纳米发电机；优选地，所述防水设备为雨衣、雨伞或遮雨棚。
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