CN110601586A - 一种基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于纳米发电传感器相关技术领域，并公开了一种基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器，其包括封装层、屏蔽层、绝缘层、导电元件、与导电元件表面接触放置的第一摩擦层、具有负泊松比性能的第二摩擦层；工作时，所述屏蔽层一般接地处理，所述第一摩擦层表面与第二摩擦层表面在外力的作用下接触分离，产生相对滑动摩擦，同时根据施加外力大小及方向的不同，二者摩擦面积发生变化，并通过导电元件向外电路输出交流脉冲电信号。通过本发明，不仅可有效提高纳米发电机的发电效率和输出能力，而且可赋予此纳米发电传感器更好的综合性能，因而可用作一种新型的传感技术。

Description

一种基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器

技术领域

本发明属于纳米发电传感器相关技术领域，更具体地，涉及一种基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器。

背景技术

近年来，基于摩擦静电效应的纳米发电机得以快速发展，并以其高效的输出、简单的工艺、稳定的性能，为机械能转变为电能来驱动电子器件提供了一种十分具有前景的途径。

检索发现，现有技术中已经提出了一些基于摩擦静电效应的纳米发电机技术方案。例如，CN201810714708.1公开了一种摩擦纳米发电机，其中采用了同轴布置的第一至第四摩擦层，并通过第一摩擦层与第二摩擦层的接触以及第三摩擦层与第四摩擦层的接触，相对转动产生摩擦，使得发电机开始发电。又如，CN201510232639.7公开了一种旋转式摩擦纳米发电机，其包括至少一组第一摩擦单元和第二摩擦单元，并通过第三部件分别与各个第一、第二摩擦单元接触摩擦，使得两个摩擦单元上分别产生摩擦电荷。此外，现有技术中还公开了一些非轴形式而是呈层叠形式的纳米发电机产品。

然而，进一步的研究表明，上述现有技术仍然具备以下的缺陷或不足：首先，这类摩擦发电设备无论采用层叠形式还是轴向形式，其摩擦层材料通常并不具备足够的拉伸性能，且作为传感器使用时灵敏度较低；其次，现有构型的摩擦发电机大多仅对摩擦层的数量方面做出调整，但摩擦层之间的相互接触所产生的接触电荷密度仍受到较大限制，导致纳米发电机的最终发电输出不足；最后，纳米发电设备目前的一个重要运用领域是各类柔性器件，相应地在抗冲击性能、适形性、断裂韧性和能量吸收性等多个方面也提出了更高的要求，目前的各类纳米发电产品尚无法满足需求。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷和改进需求，本发明的目的在于提供一种基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器，其中通过对该摩擦纳米发电传感器的基本构型及工作原理重新进行了设计，引入负泊松比材料与摩擦发电机相结合，同时对其具体结构设置形式及影响摩擦发电性能的一些关键指标作出进一步优化改进，相应与现有产品相比，不仅可有效提高纳米发电机的发电效率和输出能力，而且可赋予此纳米发电机更好的抗冲击性能和适形性，并提供更强的断裂韧性、能量吸收性和剪切模量等，受外界干扰小，因而尤其适用于一些会产生拉力或压力的柔性传感器件应用场合。

按照本发明的一个方面，提供了一种基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器，其特征在于，该摩擦纳米发电传感器整体呈轴状结构，并且沿着径向方向从外到内依次包括封装层、屏蔽层、绝缘层、导电元件、第一摩擦层和第二摩擦层，其中：

所述第二摩擦层由具备负泊松比性能的材料制成，该材料在受到轴向拉伸时其横向会发生膨胀而非收缩，而在受到轴向压缩时会在垂直于应力方向上发生收缩而非膨胀；

所述第一摩擦层由摩擦电极序与所述第二摩擦层存在差异、也即对电荷的吸引程度排序不同的材料制成；它在使用时与所述第二摩擦层接触分离，产生相对滑动摩擦且导致摩擦面积发生变化，由此引发这些摩擦层上的表面电荷转移，并通过引导电路流到所述导电元件以产生瞬时电路，相应经由该导电元件向外电路输出交流脉冲电信号。

作为进一步优选地，所述第一摩擦层、第二摩擦层和所述封装层优选由下列绝缘材料制成：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙，聚酰胺尼龙、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯睛、聚(偏氯乙烯-CO-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2,6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯，派瑞林。

作为进一步优选地，所述第一摩擦层、第二摩擦层优选由下列非掺杂的半导体材料制成：硅、锗、第III和第V族化合物、第II和第VI族化合物、由III-V族化合物和II-VI族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体和有机半导体。此外，所述第III和第V族化合物进一步选择为砷化镓和磷化镓；所述第II和第VI族化合物进一步选择为硫化福和硫化锌；所述由III-V族化合物和II-VI族化合物组成的固溶体进一步选择为镓铝砷和镓砷磷。

作为进一步优选地，所述第一摩擦层、第二摩擦层优选由下列非导电氧化物、半导体氧化物或复杂氧化物制成：氧化硅、氧化铝，氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化钦·氧化铜、氧化锌、BiO₂，Y₂O₃。

作为进一步优选地，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层的表面上优选还分布有微米或次微米量级的微结构，并且这些微结构选自纳米线，纳米管，纳米颗粒，纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。

作为进一步优选地，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层的表面上优选还设置有纳米材料的点缀或涂层。

作为进一步优选地，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层的表面上优选还设置有多个阵列离散排列的摩擦单元，并且相对放置的第一、第二摩擦层上的各个摩擦单元的排列图案保持呼应，并确保在工作时，所述第一摩擦层表面上的每一个摩擦单元至少与所述第二摩擦层表面上的一个摩擦单元部分接触。

作为进一步优选地，所述导电元件和屏蔽层选自铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属、合金、导电氧化物或导电高分子；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。

作为进一步优选地，所述导电元件为薄膜或薄片；所述第一摩擦层、第二摩擦层为薄膜或薄片。

作为进一步优选地，所述第一摩擦层、第二摩擦层、第三摩擦层、导电元件为硬质的或柔性的。

优选地，所述第一摩擦层、导电元件横截面为半椭圆环形或半圆环形状；所述第二摩擦层横截面为长方形、圆形或椭圆形，所述封装层、屏蔽层横截面为椭圆形或圆形。

作为进一步优选地，上述摩擦纳米发电传感器在非工作状态时，所述第一、第二摩擦层的表面相对放置且保持为彼此分离的初始状态；在工作状态时，优选被周期性施加沿着所述第二摩擦层轴向的拉力或压力。

作为进一步优选地，所述第一、第二摩擦层的表面优选还进行物理或化学改性，引入纳米结构图案或者涂布纳米材料。

作为进一步优选地，所述第一、第二摩擦层优选为厚度为50nm-2cm的薄层。

按照本发明的另一方面，还提供了另外一种形式的基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器，其特征在于，该摩擦纳米发电传感器整体呈轴状结构，并且沿着径向方向从外到内依次包括封装层、屏蔽层、绝缘层、导电组件、第三摩擦层和第四摩擦层，其中：

所述导电组件由上下对置的两个半环状导电件也即上导电件和下导电件共同组成；

所述第三摩擦层同样由上下对置的两个半环状摩擦层也即上摩擦层和下摩擦层共同组成，其中该上摩擦层与所述上导电件的内表面相接触，该下摩擦层与所述下导电件的内表面相接触；

所述第四摩擦层由具备负泊松比性能的材料制成，该材料在受到轴向拉伸时其横向会发生膨胀而非收缩，而在受到轴向压缩时会在垂直于应力方向上发生收缩而非膨胀；

此外，所述第三摩擦层的摩擦电极序与所述第四摩擦层存在差异、也即对电荷的吸引程度排序不同的材料制成；它在使用时与所述第四摩擦层接触分离，产生相对滑动摩擦且导致摩擦面积发生变化，由此引发这些摩擦层上的表面电荷转移，并通过引导电路流到所述导电组件以产生瞬时电路，相应经由该导电组件向外电路输出交流脉冲电信号。

总体而言，按照本发明的纸基柔性触控传感器及其制造方法与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

1、结构和原理上的新突破。本发明基于负泊松比性能的摩擦发电传感器中有一个摩擦层具有负泊松比性能，将负泊松比优异的性能与摩擦发电机相结合，设计出新的传感器构型并扩大运用场合。

2、输出性能更加优异。通过对发电机中第一摩擦层的表面和第二摩擦层的表面进行物理改性或化学改性，引入纳米结构图案或涂纳米材料等，可以进一步提高摩擦纳米发电机在外力作用下两个摩擦层接触并相对滑动时产生的接触电荷密度，从而提高发电机的输出能力。

3、结构简单、轻巧便携和高度兼容。本发明的发电机无需磁铁、线圈、转子等部件，结构简单，体积很小，制作方便、成本低廉、能够安装在各种可以产生拉力或压力的场合，无需特殊的工作环境，因此具有很高的兼容性。

4、受外界干扰较小。本发明的摩擦发电传感器添加了屏蔽层，工作时屏蔽层接地处理，能够有效屏蔽外界环境因素的干扰，作为传感器使用，使得器件输出性能更加优异，灵敏度更高。

附图说明

图1是按照本发明第一优选实施方式的摩擦纳米发电传感器的结构示意图；

图2是用于具体解释图1中所示摩擦纳米发电传感器的工作原理的剖面示意图；

图3是按照本发明第二优选实施方式的摩擦纳米发电传感器的结构示意图；

图4是用于具体解释图3中所示摩擦纳米发电传感器的工作原理的剖面示意图；

图5是示范性显示按照本发明第一优选实施方式所设计的摩擦纳米发电传感器在循环拉伸100％时的开路电压输出图；

图6是示范性显示按照本发明第一优选实施方式所设计的摩擦纳米发电传感器的传感性能标定效果图；

图7是按照本发明的摩擦纳米发电传感器的制备工艺流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

本发明提供一种将运动、振动等自然存在的机械能转化为电能的结构简单的摩擦纳米发电传感器。本发明的摩擦纳米发电机利用了在摩擦电极序中的极性存在差异的材料接触时产生表面电荷转移的现象，将外力的机械能转化为电能。

本发明中所述的“摩擦电极序”，是指根据材料对电荷的吸引程度将其进行的排序，两种材料在相互摩擦的瞬间，在摩擦面上负电荷从摩擦电极序中极性较正的材料表面转移至摩擦电极序中极性较负的材料表面。迄今为止，还没有一种统一的理论能够完整的解释电荷转移的机制，一般认为，这种电荷转移和材料的表面功函数相关，通过电子或者离子在接触面上的转移而实现电荷转移。需要说明的是，摩擦电极序只是一种基于经验的统计结果，即两种材料在该序列中相差越远，接触后所产生电荷的正负性和该序列相符合的几率就越大，而且实际的结果受到多种因素的影响，比如材料表面粗糙度、环境湿度和是否有相对摩擦等。需要进一步说明是，电荷的转移并不需要两种材料之间的相对摩擦，只要存在相互接触即可。

本发明中所述的“接触电荷”，是指在两种摩擦电极序极性存在差异的材料在接触摩擦并分离后其表面所带有的电荷，一般认为，该电荷只分布在材料的表面，分布最大深度过约为10纳米。需要说明的是，接触电荷的符号是净电荷的符号，即在带有正接触电荷的材料表面的局部地区可能存在负电荷的聚集区域，但整个表面净电荷的符号为正。

本发明中所述的“负泊松比材料”，指的是具有以下性能的材料：在轴向拉伸时其横向会发生膨胀而非通常情况下的收缩，相反，在轴向受到压缩时，材料在垂直于应力方向发生收缩，而不是通常的膨胀。

为了方便说明，以下将结合图1的典型结构来描述本发明的原理、各部件的选择原则以及材料范围，但是很显然这些内容并不仅局限于图1所示的实施例，而是可以用于本发明所公开的所有技术方案。

第一种典型实施方式：

图1为本发明具有负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器的一种典型结构，包括：封装层10、屏蔽层20、绝缘层30、导电元件40、与导电元件表面接触放置的第一摩擦层50、具有负泊松比性能的第二摩擦层60。当对第二摩擦层轴向施加的拉力时，由于负泊松比材料特殊的“拉伸膨胀”性能使所述第一摩擦层50的表面与第二摩擦层60的表面发生相对摩擦，并且导致摩擦面积发生变化时，由于第一摩擦层50的材料、第二摩擦层60的材料之间有摩擦电极序差异，能够通过导电元件40向外电路输出电信号。

本结构的摩擦纳米发电机的工作原理，参见图2。在图2(a)～2(d)，通过施加于第二摩擦层60轴向的拉力，使得第二摩擦层横向发生膨胀，进而使所述第一摩擦层50的表面与第二摩擦层60的表面发生相对滑动摩擦，并且由于拉力大小及方向的不同导致摩擦面积发生变化时，由于第一摩擦层50的材料、第二摩擦层60的材料之间有摩擦电极序差异，因此该摩擦过程引发上述摩擦层的表面电荷转移。

参见图2(b)，为了屏蔽由于摩擦层区域接触面积的逐渐增大而残留在第一摩擦层50和第二摩擦层60中因摩擦产生的表面电荷所形成的电场，地端的自由电子就会通过外电路流到导电元件40，产生一瞬时电流。

参见图2(d)，当外力释放或反方向时，为了屏蔽由于摩擦层区域接触面积的逐渐减小而残留在第一摩擦层50和第二摩擦层60中因摩擦产生的表面电荷所形成的电场，导电元件40中的电子流回地端，从而给出一相反方向的电流。

第一摩擦层50和第二摩擦层60分别由具有不同摩擦电特性的材料组成，所述的不同摩擦电特性意味着二者在摩擦电极序中处于不同的位置，从而使得二者在发生摩擦的过程中能够在表面产生接触电荷。常规的绝缘材料和半导体材料都具有摩擦电特性，均可以作为制备本发明第一摩擦层50和第二摩擦层60的材料。

绝缘体可选自一些常用的有机聚合物材料和天然材料，包括:苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11，聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯腈、聚(偏氯乙烯-CO-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2,6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林。

常用的半导体材料选自非掺杂的以下材料：硅、锗、第III和第V族化合物，例如砷化镓和磷化镓等；第II和第VI族化合物，如硫化福和硫化锌等；由III-V族化合物和II-VI族化合物组成的固溶体，如镓铝砷和镓砷磷等；除上述晶态半导体之外，还可选择非晶态的玻璃半导体和有机半导体等；非导电氧化物、半导体氧化物或复杂氧化物也可用作摩擦层材料，包括氧化硅、氧化铝，氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化钦·氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃。

第一摩擦层50和第二摩擦层60的厚度对本发明的实施没有显著影响，只是在设置的过程中需要综合考虑摩擦层强度与发电效率等因素。本发明优选摩擦层为薄层，厚度为50nm-2cm，优选100nm-lcm，更优选1u m-5mm，更优选10u m-2mm，这些厚度对本发明中所有的技术方案都适用。

导电元件40和屏蔽层20只需具备导电性能即可，可选自铟锡氧化物、石墨烯、银纳米线膜、金属、合金、导电氧化物或导电高分子；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。

导电元件可以是薄膜、薄层或薄板，优选薄膜和薄层。导电元件40与外电路连接的方式可以是通过导线或金属薄膜与外电路连接。

本发明并不限定第一摩擦层50和第二摩擦层60必须是硬质材料，也可以选择柔性材料，因为材料的硬度并不影响二者之间的滑动摩擦效果，本领域的技术人员可以根据实际情况进行选择。而且柔性材料制成的发电机的优势在于柔软轻薄的摩擦层受到轻微的外力作用就会发生形变，而这种形变会引起两个摩擦层的相对位移，从而通过滑动摩擦向外输出电信号。柔性材料的使用使本发明的纳米发电机在生物和医学中领域中也有非常广泛的应用。在使用的过程中还可以用具有超薄、柔软、具有弹性和/或透明的高分子材料做基底，进行封装以方便使用并提高强度。显然，本发明公开的所有结构都可以用相应的超软并具有弹性的材料做成，从而形成柔性纳米发电机，在这里就不一一赘述，但是由此衍生出的各种设计应该都包括在本专利的保护范围内。

限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的材料从人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

实验发现，摩擦层接触表面材料之间的摩擦电性质差异越大时，发电机的输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备相互接触的摩擦层。具有负极性的摩擦电极序材料，优先选自聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯和派瑞林；具有正极性的摩擦电极序材料，优先选自苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙11,聚酰胺尼龙66、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯，聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨酯弹性体、苯乙烯一丙烯睛共聚物、苯乙烯一丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯。

也可以对相互接触的第一摩擦层50和/或第二摩擦层60的表面进行化学改性，能够进一步提高电荷在接触瞬间的转移量，从而提高接触电荷密度和发电机的输出功率。化学改性又分为如下两种类型:

一种方法是对于相互接触的第一摩擦层50和/或第二摩擦层60的表面材料，在极性为正的材料表面引入更易失电子的官能团(即强给电子基团)，或者在极性为负的材料表面引入更易得电子的官能团(强吸电子基团)，都能够进一步提高电荷在相互滑动时的转移量，从而提高摩擦电荷密度和发电机的输出功率。强给电子基团包括:氨基、轻基、烷氧基等；强吸电子基团包括:酰基、羧基、硝基、磺酸基等。官能团的引入可以采用等离子体表面改性等常规方法。例如可以使氧气和氮气的混合气在一定功率下产生等离子体，从而在摩擦层材料表面引入氨基。

另外一种方法是在极性为正的摩擦层材料表面引入正电荷，而在极性为负的摩擦层材料表面引入负电荷。具体可以通过化学键合的方式实现。例如，可以在聚二甲基硅氧烷(英文简写为PDMS)摩擦层表面利用水解-缩合(英文简写为sol-gel)的方法修饰上正硅酸乙酯(英文简写为TEOS)，而使其带负电。也可以在金属金薄膜层上利用金-硫的键结修饰上表面含十六烷基三甲基溴化铵(CTAB)的金纳米粒子，由于十六烷基三甲基溴化铵为阳离子，故会使整个摩擦层变成带正电性。本领域的技术人员可以根据摩擦层材料的得失电子性质和表面化学键的种类，选择合适的修饰材料与其键合，以达到本发明的目的，因此这样的变形都在本发明的保护范围之内。

第二种典型实施方式：

图3为本发明具有负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器的另一种典型结构，包括：封装层10、屏蔽层20、绝缘层30、第一导电元件401、与第一导电元件下表面接触放置的第一摩擦层501、第二导电元件402、与第二导电元件上表面接触放置的第二摩擦层502、位于第一摩擦层与第二摩擦层中间的第三摩擦层60。其中第三摩擦层60为非导电且具有负泊松比性能的材料。当对第三摩擦层轴向施加的拉力时，由于负泊松比材料特殊的“拉伸膨胀”性能使所述第一摩擦层501的下表面与第三摩擦层60的上表面发生相对摩擦、所述第二摩擦层502的上表面与第三摩擦层60的下表面发生相对摩擦，并且导致上述相对二者的摩擦面积发生变化时，由于第一摩擦层501的材料、第二摩擦层502的材料和第三摩擦层60之间有摩擦电极序差异，能够通过第一导电元件401和第二导电元件402向外电路输出电信号。

该实施方式与图1所示的实施方式的结构区别在于本实施方式中具有两个导电元件、三个摩擦层，且具有负泊松比性能的摩擦层在一个器件中同时具有正、负两种极性，其发电原理与上述不同。

本结构的摩擦纳米发电传感器的工作原理，参见图4。在图4(a)～4(d)，通过施加于第三摩擦层60轴向的拉力，使得第三摩擦层横向发生膨胀，进而使所述第一摩擦层501的下表面与第三摩擦层60的上表面发生相对滑动摩擦、所述第二摩擦层502的上表面与第三摩擦层60的下表面发生相对滑动摩擦，并且由于拉力大小及方向的不同导致上述相对二者的摩擦面积发生变化时，由于第一摩擦层501的材料、第二摩擦层502的材料和第三摩擦层60之间有摩擦电极序差异，因此该摩擦过程引发上述摩擦层的表面电荷转移。

参见图4(b)，为了屏蔽由于摩擦层区域接触面积的逐渐增大而残留在第一摩擦层501和第二摩擦层502中因摩擦产生的表面电荷所形成的电场，第二导电元件402中的自由电子就会通过外电路流到第一导电元件401，产生一瞬时电流。

参见图4(d)，当外力释放或反方向时，为了屏蔽由于摩擦层区域接触面积的逐渐减小而残留在第一摩擦层501和第二摩擦层502中因摩擦产生的表面电荷所形成的电场，第一导电元件401中的电子流回第二导电元件402，从而给出一相反方向的电流。

通过施加的外力使得第一摩擦层501、第二摩擦层502和第三摩擦层60不断接触分离的过程中，与外电路相连接的第一导电元件401与第二导电元件402会向外电路输出方向交替变化的交流脉冲电信号，从而实现由机械能到电能的转化。

实施例1：

本实施例选用图3所示的摩擦纳米发电机构型。封装层10选用厚度为3um，直径为18mm，长度为50mm的聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜、屏蔽层20选用厚度为5um，直径为18mm，长度为50mm的铜薄膜、绝缘层30选用厚度为3um，直径为18mm，长度为50mm的聚酰亚胺(PI)薄膜、第一导电元件401选用厚度为5um，半径为9mm，长度为50mm的铜箔、第一摩擦层501选用厚度为1um，半径为9mm，长度为50mm的聚四氟乙烯(PTFE)薄膜、第二导电元件选用厚度为5um，半径为9mm，长度为50mm的铜薄膜、第二摩擦层502选用厚度为2um，半径为9mm，长度为50mm的聚酰胺(PA)薄膜、第三摩擦层60选用直径为15mm，长度为50mm的具有负泊松比性能的聚氨酯(PU)泡棉。初始状态(未受外力)下，第一摩擦层PTFE及第二摩擦层PA与第三摩擦层之间的间距为5mm。另外，其中第一摩擦层PTFE表面经过了电导耦合等离子刻蚀(ICP)处理，形成了纳米柱阵列。

第一导电元件与第二导电元件的金属铜箔上引出导线后，在两边用直线电机分别同时对第三摩擦层聚氨酯泡棉进行往复拉伸，且其最大拉伸量为100％时，第一摩擦层PTFE的下表面与第三摩擦层聚氨酯泡棉的上表面发生相对摩擦、所述第二摩擦层聚酰胺薄膜的上表面与第三摩擦层聚氨酯泡棉的下表面发生相对摩擦，并且摩擦面积发生周期性变化，从而促使摩擦纳米发电机工作，所产生的开路电压输出图见图5。

以上述直线电机双向拉伸的方式对所述摩擦纳米发电传感器进行传感性能标定，得出该传感器在不同应变下对应的开路电压示意图见图6。

该实施例中的第三摩擦层负泊松比性能的聚氨酯(PU)泡棉的制备工艺流程，参见图7。

图中，1—聚氨酯泡棉；2—用于压缩的铝合金模具；3—用于模具两端压缩密封的铝合金块；4—烘箱。

采用的原材料为聚氨酯泡棉(Caligen,30ppi)，长方体块状，具体尺寸为72mm×30mm×30mm；铝合金模具的腔内尺寸为60mm×20mm×20mm；铝合金块的尺寸为20mm×20mm×20mm。

具体实施步骤为：

a.将泡棉切成合适尺寸的长方体块，并分别用去离子水与无水乙醇清洗，自然状态下风干；

b.将上述泡棉均匀放置于铝制模具中，两端分别用铝块封装，实现泡棉三轴均压缩约30％；

c.将泡棉连带模具一起置于烘箱之中，在200℃的环境中加热10min；

d.从烘箱中取出器件，拆除两端铝块，取出聚氨酯泡棉，对其进行三个方向的适当拉伸，避免泡棉微孔结构融化粘接在一起；

e.将上述拉伸之后的泡棉重新均匀放置于铝制模具中并用铝块封装，然后整体置于烘箱之中，200℃环境下加热10min；

f.重复操作上述步骤d及e三次；

g.将压缩状态下的聚氨酯泡棉连带模具置于烘箱100℃的环境中累计加热1h；

h.从烘箱中取出器件，使得聚氨酯泡棉在压缩状态下自然冷却至室温；

i.将冷却之后的聚氨酯泡棉从铝制模具中取出，所得到的泡棉即具有负泊松比性能。

上述只是制备负泊松比材料的一种方式，另外还可通过丙酮溶液浸泡或设计材料微结构等方式来实现，本实例所采用的负泊松比材料制备方式不应作为对本发明任何形式上的限制。只要摩擦发电机上用到具有负泊松比性能的摩擦层，均应属于本发明技术方案保护的范围内。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器，其特征在于，该摩擦纳米发电传感器整体呈轴状结构，并且沿着径向方向从外到内依次包括封装层(10)、屏蔽层(20)、绝缘层(30)、导电元件(40)、第一摩擦层(50)和第二摩擦层(60)，其中：

所述第二摩擦层(60)由具备负泊松比性能的材料制成，该材料在受到轴向拉伸时其横向会发生膨胀而非收缩，而在受到轴向压缩时会在垂直于应力方向上发生收缩而非膨胀；

所述第一摩擦层(50)由摩擦电极序与所述第二摩擦层(60)存在差异、也即对电荷的吸引程度排序不同的材料制成；它在使用时与所述第二摩擦层(60)接触分离，产生相对滑动摩擦且导致摩擦面积发生变化，由此引发这些摩擦层上的表面电荷转移，并通过引导电路流到所述导电元件(40)以产生瞬时电路，相应经由该导电元件(40)向外电路输出交流脉冲电信号。

2.如权利要求1所述的一种基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器，其特征在于，所述第一摩擦层、第二摩擦层和所述封装层优选由下列绝缘材料制成：苯胺甲醛树脂、聚甲醛、乙基纤维素、聚酰胺尼龙，聚酰胺尼龙、羊毛及其织物、蚕丝及其织物、纸、聚乙二醇丁二酸酯、纤维素、纤维素醋酸酯、聚乙二醇己二酸酯、聚邻苯二甲酸二烯丙酯、再生纤维素海绵、棉及其织物、聚氨弹性体、苯乙烯-丙烯腈共聚物、苯乙烯-丁二烯共聚物、木头、硬橡胶、醋酸酯、人造纤维、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、丁二烯-丙烯腈共聚物、氯丁橡胶、天然橡胶、聚丙烯睛、聚(偏氯乙烯-CO-丙烯腈)、聚双酚A碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚(2,6-二甲基聚亚苯基氧化物)、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚三氟氯乙烯、聚四氟乙烯，派瑞林。

3.如权利要求1所述的一种基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器，其特征在于，所述第一摩擦层、第二摩擦层优选由下列非掺杂的半导体材料制成：硅、锗、第III和第V族化合物、第II和第VI族化合物、由III-V族化合物和II-VI族化合物组成的固溶体、非晶态的玻璃半导体和有机半导体。此外，所述第III和第V族化合物进一步选择为砷化镓和磷化镓；所述第II和第VI族化合物进一步选择为硫化福和硫化锌；所述由III-V族化合物和II-VI族化合物组成的固溶体进一步选择为镓铝砷和镓砷磷。

4.如权利要求1所述的一种基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器，其特征在于，所述第一摩擦层、第二摩擦层优选由下列非导电氧化物、半导体氧化物或复杂氧化物制成：氧化硅、氧化铝，氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化钦·氧化铜、氧化锌、BiO₂，Y₂O₃。

5.如权利要求1-4任意一项所述的一种基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层的表面上优选还分布有微米或次微米量级的微结构，并且这些微结构选自纳米线，纳米管，纳米颗粒，纳米沟槽、微米沟槽，纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。

6.如权利要求1-4任意一项所述的一种基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器，其特征在于，所述第一摩擦层和/或第二摩擦层的表面上优选还设置有多个阵列离散排列的摩擦单元，并且相对放置的第一、第二摩擦层上的各个摩擦单元的排列图案保持呼应，并确保在工作时，所述第一摩擦层表面上的每一个摩擦单元至少与所述第二摩擦层表面上的一个摩擦单元部分接触。

7.如权利要求1-6任意一项所述的一种基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器，其特征在于，所述导电元件为薄膜或薄片；所述第一摩擦层、第二摩擦层为薄膜或薄片。

8.如权利要求1-7任意一项所述的一种基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器，其特征在于，所述第一摩擦层、导电元件横截面为半椭圆环形或半圆环形状；所述第二摩擦层横截面为长方形、圆形或椭圆形，所述封装层、屏蔽层横截面为椭圆形或圆形。

9.如权利要求1-8任意一项所述的一种基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器，其特征在于，上述摩擦纳米发电传感器在非工作状态时，所述第一、第二摩擦层的表面相对放置且保持为彼此分离的初始状态；在工作状态时，优选被周期性施加沿着所述第二摩擦层轴向的拉力或压力。

10.一种基于负泊松比性能的摩擦纳米发电传感器，其特征在于，该摩擦纳米发电传感器整体呈轴状结构，并且沿着径向方向从外到内依次包括封装层、屏蔽层、绝缘层、导电组件、第三摩擦层和第四摩擦层，其中：

所述导电组件由上下对置的两个半环状导电件也即上导电件(401)和下导电件(402)共同组成；

所述第三摩擦层同样由上下对置的两个半环状摩擦层也即上摩擦层(501)和下摩擦层(502)共同组成，其中该上摩擦层(501)与所述上导电件(401)的内表面相接触，该下摩擦层(502)与所述下导电件(402)的内表面相接触；

所述第四摩擦层(60)由具备负泊松比性能的材料制成，该材料在受到轴向拉伸时其横向会发生膨胀而非收缩，而在受到轴向压缩时会在垂直于应力方向上发生收缩而非膨胀；

此外，所述第三摩擦层的摩擦电极序与所述第四摩擦层存在差异、也即对电荷的吸引程度排序不同的材料制成；它在使用时与所述第四摩擦层接触分离，产生相对滑动摩擦且导致摩擦面积发生变化，由此引发这些摩擦层上的表面电荷转移，并通过引导电路流到所述导电组件以产生瞬时电路，相应经由该导电组件向外电路输出交流脉冲电信号。