CN110729916A - 摩擦纳米发电机及自驱动应变传感器及其应用 - Google Patents

Abstract

一种摩擦纳米发电机及自驱动应变传感器及其应用，摩擦纳米发电机，包括：导电摩擦结构，包含导电摩擦层；摩擦结构，与所述导电摩擦结构间隔设置，所述摩擦结构包含介电摩擦层，所述介电摩擦层与所述导电摩擦层相对设置；其中，在第一外力作用下，所述导电摩擦层与所述介电摩擦层发生接触‑分离，产生电学输出；同时在第二外力作用下所述导电摩擦层产生应变，使得所述导电摩擦层的电阻发生变化，且所述导电摩擦层与所述介电摩擦层的接触面积、接触分离频率及振幅参数至少之一发生变化，从而产生能够表征所述应变的电学输出。有效利用了振动能或风能实现自驱动传感，在应变及产生应变的力的表征以及应变极限报警中具有潜在的应用价值。

Description

摩擦纳米发电机及自驱动应变传感器及其应用

技术领域

本公开属于传感技术领域，涉及一种摩擦纳米发电机及自驱动应变传感器及其应用。

背景技术

能源危机日益加重，风能、振动能以及生物机械能等能源形式广泛存在于周围环境中，摩擦纳米发电机是(TENG)是利用摩擦起电效应和静电感应效应耦合将环境中的机械能转换为电能的器件，具有无污染、成本低、结构简单、可收集低频机械能等优点，TENG的设计和应用将对能源危机问题具有战略意义。

随着人工智能飞速发展，越来越多的场合亟需智能化的器件，应变传感器作为被广泛使用的新型传感器，在电子皮肤、可穿戴电子设备、柔性触摸显示屏、智能手套、智能医疗等方面都具有广阔的应用前景。目前广泛应用于我们生活中的智能传感器大都需要额外的能源驱动装置，不仅严重限制了传感器的使用寿命还带来能源消耗、环境污染等诸多问题。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种摩擦纳米发电机及自驱动应变传感器及其应用，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种摩擦纳米发电机，包括：导电摩擦结构，包含导电摩擦层；摩擦结构，与所述导电摩擦结构间隔设置，所述摩擦结构包含介电摩擦层，所述介电摩擦层与所述导电摩擦层相对设置；其中，在第一外力作用下，所述导电摩擦层与所述介电摩擦层发生接触-分离，产生电学输出；同时在第二外力作用下所述导电摩擦层产生应变，使得所述导电摩擦层的电阻发生变化，且所述导电摩擦层与所述介电摩擦层的接触面积、接触分离频率及振幅参数至少之一发生变化，从而产生能够表征所述应变的电学输出。

在本公开的一实施例中，所述摩擦纳米发电机为非对称的接触分离模式双电极摩擦纳米发电机，所述导电摩擦层和介电摩擦层分别作为纳米发电机的两个电机输出端。

在本公开的一实施例中，所述摩擦纳米发电机为双电极形式的发电机，所述导电摩擦结构包括：第一导电摩擦结构和第二导电摩擦结构，所述第一导电摩擦结构和所述第二导电摩擦结构分别设置于所述摩擦结构的两侧，所述第一导电摩擦结构包含第一导电摩擦层，所述第二导电摩擦结构包含第二导电摩擦层，所述第一导电摩擦层和所述第二导电摩擦层作为两个电极输出端。

在本公开的一实施例中，所述导电摩擦结构还包括：柔性基底，所述导电摩擦层设置于所述柔性基底表面；和/或，所述摩擦结构还包括：柔性基底，所述介电摩擦层设置于所述柔性基底表面。

在本公开的一实施例中，摩擦纳米发电机还包括：具有弹性的连接结构，所述连接结构没置于导电摩擦结构和摩擦结构的外侧，将所述导电摩擦结构与所述摩擦结构弹性连接；

可选的，所述第二外力施加于所述连接结构，所述第一外力施加于所述导电摩擦结构或者同时施加于导电摩擦结构和摩擦结构；

可选的，所述第一外力为风能或者振动能形式对应的外力，所述第二外力为拉力、扭转力或者弯折力。

在本公开的一实施例中，所述导电摩擦结构与所述摩擦结构之间设置有间隔层，使得所述摩擦结构与所述导电摩擦结构间隔设置。

在本公开的一实施例中，当所述摩擦纳米发电机为非对称的接触分离模式双电极形式的发电机时，还包括：支撑结构，所述支撑结构的两端分别固定于所述导电摩擦结构以及所述摩擦结构的外表面；

当所述摩擦纳米发电机为双电极形式的发电机时，还包括：支撑结构，所述支撑结构的两端分别固定于所述第一导电摩擦结构以及所述第二导电摩擦结构的外表面；

可选的，所述第二外力施加于所述支撑结构，所述第一外力施加于所述导电摩擦结构或者同时施加于导电摩擦结构和摩擦结构。

在本公开的一实施例中，所述柔性基底的材料包括如下材料的一种或几种：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、线性三嵌共聚物(SEBS)、共聚酯(Ecoflex)、聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)以及聚偏氟乙烯(PVDF)；和/或，

所述柔性基底的厚度不大于10mm；和/或，

所述导电摩擦层的材料包括如下导电纳米材料的一种或几种：石墨烯、碳纳米管、银纳米线、铜纳米颗粒以及银纳米颗粒；和/或，

所述导电纳米材料附着在所述柔性基底上的方法包括如下方法的一种或几种：真空抽滤、磁控溅射、旋涂、丝网印刷、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)以及物理气相沉积(PVD)；和/或，

所述介电摩擦层的材料包括如下材料的一种或几种：聚四氟乙烯(PTFE)、醋酸纤维素、聚氯乙烯(PVC)、尼龙、聚酰亚胺(Kapton)以及聚乙烯(PEF)。

根据本公开的另一个方面，提供了一种自驱动应变传感器，包括本公开提及的任一种摩擦纳米发电机。

在本公开的一实施例中，所述自驱动应变传感器设置于一某一特定装置上，所述装置在第一外力作用下会发生形变并对所述自驱动应变传感器施加第二外力作用，所述自驱动应变传感器的电学输出连接可视化器件，所述可视化器件随着所述电学输出的变化而发生直观、清晰、明显的可被人感知的变化，从而可视化表征所述装置的应变；

可选的，所述可视化器件包括如下器件的一种或几种：灯泡、喇叭、显示器以及机械马达；

可选的，所述装置包括如下装置的一种或几种：桥梁、广告牌、以及旗帜。

根据本公开的另一个方面，提供了一种摩擦纳米发电机或者自驱动应变传感器在应变及产生应变的力的表征以及应变极限报警中的应用。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的摩擦纳米发电机及自驱动应变传感器及其应用，具有以下有益效果：

(1)在第一外力作用下，例如风力作用，导电摩擦层与介电摩擦层之间发生接触-分离，从而产生电学输出，同时在第二外力作用下例如拉力作用下导电摩擦层产生应变，使得所述导电摩擦层的电阻发生变化，且所述导电摩擦层与所述介电摩擦层的振动参数，包括接触面积、接触分离频率及振幅参数至少之一发生变化，使得电学输出对应发生变化，从而实现了电学输出与应变关系的对应，通过电学输出实现应变的表征；

(2)通过摩擦纳米发电机收集环境中的风能/振动能，并能将其有效地转化为电信号输出，同时在第二外力作用下产生不同应变/形变后的电学输出与导电摩擦层的应变呈一定的规律和相关性，避免了应变传感器在工作时的借助外界能源驱动，实现了自驱动应变传感；

(3)所述第一外力为风能或者振动能形式对应的外力，比如，可以是在风力作用下，当没有空气通过摩擦纳米发电机时，可以将发电机两侧的支撑结构或连接结构固定在发生低频的振动场合，低频的机械振动也可以通过该发电机转化为电能；

(4)利用机械性能优异、电阻可变的柔性膜作为导电摩擦层，用于感应应变，可以在多次应变-恢复循环后保持较好的循环性能，具有稳定性好、寿命长的特点；

(5)当柔性膜的材料、规格及发电机的关键参数确定后，不同大小的外界拉力可以使发电机发生相应的应变，从而摩擦纳米发电机的电学输出信号将唯一确定，可以得到拉力与输出的曲线图并拟合出拉力与电压的函数关系，便可以通过发电机输出信号数值反推得到作用于发电机上的拉力大小，将发电机转化为“拉力计”；

(6)在一个器件上解决了能源驱动与应变/形变传感两个问题，还可将外界应变的大小变化通过可视化器件如LED灯泡、喇叭、机械马达等显示出来，也可将生活中会发生应变的物件与柔性发电机耦合实现了能源转换与应用的一体化，在应变及产生应变的力的表征以及应变极限报警中具有潜在的应用价值。

附图说明

图1为根据本公开一实施例所示的摩擦纳米发电机的主视结构示意图。

图2为如图1所示的摩擦纳米发电机的俯视结构示意图。

图3为如图1所示的摩擦纳米发电机实现自驱动传感的工作原理图。

图4为根据本公开一实施例所示的摩擦纳米发电机在应变为0时的(a)输出电压信号图；(b)输出电流信号图。

图5为根据本公开一实施例所示的摩擦纳米发电机在应变为70％时的(a)输出电压信号图；(b)输出电流信号图。

图6为根据本公开一实施例所示的摩擦纳米发电机在0-70％应变范围内的输出电压与发电机接触分离频率随着应变变化的曲线。

图7和图8为根据本公开一实施例所示的摩擦纳米发电机分别在不同应变下外接可变电阻时的电压变化曲线及相应的功率变化曲线，其中，图7对应的应变为0％，图8对应的应变为70％。

图9为根据本公开一实施例所示的摩擦纳米发电机在应变为70％时连续工作六小时的电压信号稳定性曲线。

图10为根据本公开一实施例所示的如图1所示的摩擦纳米发电机的变形结构示意图。

图11为根据本公开一实施例所示的非对称的接触分离模式双电极摩擦纳米发电机的结构示意图。

图12为根据本公开一实施例所示的自驱动应变传感器的应用场景示意图。

【符号说明】

11-第一导电摩擦结构；

111-第一导电摩擦层； 112-第一柔性基底；

12-摩擦结构；

121-第三柔性基底； 122，123-介电摩擦层；

13-第二导电摩擦结构；

131-第二导电摩擦层； 132-第二柔性基底；

14-间隔层； 15-支撑结构；

16-固定件； 17-连接结构。

具体实施方式

本公开提供了一种摩擦纳米发电机及自驱动应变传感器及其应用，在第一外力作用下，例如风力作用，导电摩擦层与介电摩擦层之间发生接触-分离，从而产生电学输出，同时在第二外力作用下例如拉力作用(或者其他能够产生应变的作用力形式)下导电摩擦层产生应变，使得所述导电摩擦层的电阻发生变化，且所述导电摩擦层与所述介电摩擦层的接触面积和接触分离频率发生变化，使得电学输出对应发生变化，从而实现了电学输出与应变关系的对应，通过电学输出实现应变的表征。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

第一实施例

在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种摩擦纳米发电机，本实施例的摩擦纳米发电机可以作为自驱动应变传感器。

图1为根据本公开一实施例所示的摩擦纳米发电机的主视结构示意图。图2为如图1所示的摩擦纳米发电机的俯视结构示意图。

参照图1和图2所示，本公开的摩擦纳米发电机，包括：导电摩擦结构，包含导电摩擦层；摩擦结构，与所述导电摩擦结构间隔设置，所述摩擦结构包含介电摩擦层，所述介电摩擦层与所述导电摩擦层相对设置；其中，在第一外力作用下，所述导电摩擦层与所述介电摩擦层发生接触-分离，产生电学输出；同时在第二外力作用下所述导电摩擦层产生应变，使得所述导电摩擦层的电阻发生变化，且所述导电摩擦层与所述介电摩擦层的接触面积、接触分离频率及振幅参数至少之一发生变化，从而产生能够表征所述应变的电学输出。

本实施例中，参照图1所示，所述摩擦纳米发电机为双电极形式的发电机，所述导电摩擦结构包括：第一导电摩擦结构11和第二导电摩擦结构13，所述第一导电摩擦结构11和所述第二导电摩擦结构13分别设置于摩擦结构12的两侧，所述第一导电摩擦结构11包含第一导电摩擦层111，所述第二导电摩擦结构13包含第二导电摩擦层131，所述第一导电摩擦层111和所述第二导电摩擦131层作为发电机的两个电极输出端。

在本公开的一实施例中，所述导电摩擦结构还包括：柔性基底，所述导电摩擦层设置于所述柔性基底表面；和/或，所述摩擦结构还包括：柔性基底，所述介电摩擦层设置于所述柔性基底表面。

本实施例中，第一导电摩擦结构11还包括：第一柔性基底112，所述第一导电摩擦层111设置于所述第一柔性基底112表面；第二导电摩擦结构13还包括：第二柔性基底132，所述第二导电摩擦层131设置于所述第二柔性基底132表面。摩擦结构12还包括：第三柔性基底121，在第三柔性基底121的上下表面均设置有介电摩擦层122，123，分别以122示意上表面的介电摩擦层，以123示意下表面的介电摩擦层。

在本公开的一实施例中，所述柔性基底的材料包括但不限于如下材料的一种或几种：聚二甲基硅氧烷(PDMS)、线性三嵌共聚物(SEBS)、共聚酯(Ecoflex)、聚酰胺(PA)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)以及聚偏氟乙烯(PVDF)；和/或，

所述柔性基底的厚度不大于10mm；和/或，

所述导电摩擦层的材料包括但不限于如下金属纳米材料的一种或几种：石墨烯、碳纳米管、银纳米线、铜纳米颗粒以及银纳米颗粒；和/或，

所述导电纳米材料附着在柔性基底上的方法包括但不仅限于如下方法的一种或几种：真空抽滤、磁控溅射、旋涂、丝网印刷、化学气相沉积(CVD)、原子层沉积(ALD)、物理气相沉积(PVD)等。

所述介电摩擦层的材料包括但不限于如下材料的一种或几种：聚四氟乙烯(PTFE)、醋酸纤维素、聚氯乙烯(PVC)、尼龙、聚酰亚胺(Kapton)以及聚乙烯(PEF)。

本实施例的摩擦纳米发电机可以作为自驱动传感器进行应变传感。

图3为如图1所示的摩擦纳米发电机实现自驱动传感的工作原理图。

下面结合图1和图3来介绍该摩擦纳米发电机作为自驱动传感器的工作原理。

参照图1和图3所示，第一导电摩擦层111与介电摩擦层122相对设置，第二导电摩擦层131与介电摩擦层123相对设置，在第一外力作用下，例如当有气流通过该摩擦纳米发电机时，第一导电摩擦结构11、第二导电摩擦结构13以及摩擦结构12会在风力作用下做上下往复运动，则摩擦结构12上下表面的介电摩擦层与两个导电摩擦结构上的导电摩擦层会不断发生接触-分离过程，即第一导电摩擦层111与介电摩擦层122发生接触-分离过程，如图3中(a)-(d)所示，第二导电摩擦层131与介电摩擦层123发生接触-分离过程，如图3中(e)-(h)所示。

摩擦结构12所带的负电荷数量与两个导电摩擦结构11，13所带的正电荷数量之和相等，在两个导电摩擦结构位置处于初始位置时，如图3中(a)和(e)所示，在第一导电摩擦层111和第二导电摩擦层131上带有等量的正电荷，例如这里示意的都带有3个正电荷，在介电摩擦层上带有6个负电荷；当其中一个导电摩擦层靠近介电摩擦层时，在两个导电摩擦层上的电荷分布会随之发生变化，例如其中一个导电摩擦层为4个正电荷，另一个导电摩擦层为2个正电荷，例如图3中(b)和(f)所示，此时两个导电摩擦层之间存在电势差，从而连接两个导电摩擦层后会产生电流；当其中一个导电摩擦层靠近到接触介电摩擦层后，如图3中(c)和(g)所示，此时两个导电摩擦层之间的电势差达到最大；然后随着分离过程的进行，电荷流动方向与之前接触过程相反，如图3中(d)和(h)所示。总之，由于在第一外力作用(比如风力作用)下由于介电摩擦层与导电摩擦层之间发生接触-分离过程，感应距离发生周期性变化，从而导致上下两个导电摩擦层所带的感应电荷的数目发生周期性变化，这两个导电摩擦层之间产生电势差，作为电极可以向外输出周期性变化的正弦波形交流电，有效的将第一外力对应的能量形式转化为电能。与此同时，通过施加第二外力，例如拉力、扭转力或者其他能够使导电摩擦层及摩擦结构产生应变/形变的作用形式，由于在第二外力作用下所述导电摩擦层产生应变，使得所述导电摩擦层的电阻发生变化，并且所述导电摩擦层与所述介电摩擦层的接触面积和接触分离频率发生变化，从而使得接触-分离过程中产生的电学输出受到应变的调控，产生能够表征所述应变的电学输出。

当然，本实施例中以在第三柔性基底121上下表面设置有两个介电摩擦层122、123作为摩擦结构的示例，在其它实施例中，可以是只有一个介电摩擦层，该介电摩擦层的上下表面分别与导电摩擦层进行接触摩擦；也可以是包含更多个叠层对的形式，在最上表面和最下表面分别为介电摩擦层。

所述第一外力为风能或者振动能形式对应的外力，比如，可以是在风力作用下，当没有空气通过摩擦纳米发电机时，可以将发电机两侧的支撑结构或连接结构固定在发生低频的振动场合，低频的机械振动也可以通过该发电机转化为电能；

在本公开的一实施例中，参照图1所示，所述导电摩擦结构与所述摩擦结构之间设置有间隔层，使得所述摩擦结构与所述导电摩擦结构间隔设置。例如本实施例中，在第一导电摩擦结构11与摩擦结构12之间以及第二导电摩擦结构13与摩擦结构12之间均设置有间隔层14。当然，为了使导电摩擦结构与摩擦结构能够发生接触-分离过程，间隔层设置在两端的位置。间隔层14的厚度决定了导电摩擦结构与摩擦结构之间的距离，将影响摩擦纳米发电机的输出信号。在一实例中，间隔层14例如为一垫片，厚度为1mm-2mm，例如为1.5mm。

本实施例中，所述摩擦纳米发电机还包括：支撑结构15，所述支撑结构15的两端分别固定于所述第一导电摩擦结构11以及所述第二导电摩擦结构13的外表面。通过固定件16贯穿所述支撑结构15、第一导电摩擦结构11、摩擦结构12、间隔层14、以及第二导电摩擦结构13实现摩擦纳米发电机的固定(定型)。在一实例中，固定件16例如为螺钉或者螺栓。

其中，第二外力施加于支撑结构15，第一外力施加于导电摩擦结构或者同时施加于导电摩擦结构和摩擦结构。第一外力可以只施加于导电摩擦结构，也可以同时施加于导电摩擦结构和摩擦结构，对应摩擦纳米发电机为双电极形式时，第一外力施加于第一导电摩擦结构和/或第二导电摩擦结构，例如第一外力为机械作用力，可以仅施加于第一导电摩擦层11上或者仅施加于第二导电摩擦层13上；或者第一外力为风力，在第一导电摩擦层11和第二导电摩擦层13以及摩擦结构12上同时作用。

本实施例中，支撑结构15是摩擦纳米发电机的支撑物同时也是作为应变传感器的“拉手”，方便外界给予该传感器应变，可选择亚克力板、金属板、木板或者塑料板等设计一定结构组装在摩擦纳米发电机的两端。该支撑结构15可以根据实际应用环境做出横式、立式、拱桥式等不同样式的改变。

上述支撑结构15与间隔层14配合使得导电摩擦结构与摩擦结构的两端固定，从而在第一外力和第二外力作用下能够保证该摩擦纳米发电机的结构保持稳定，提高了该摩擦纳米发电机的结构稳定性以及可靠性。

图10为根据本公开一实施例所示的如图1所示的摩擦纳米发电机的变形结构示意图。

当然，上述实施例中以间隔层作为使导电摩擦结构与摩擦结构之间间隔开的一种形式，本公开的连接和固定形式不局限于此，支撑结构和间隔层配合的形式也可以进行替换，例如在其它实施例中，参照图10所示，可以不设置间隔层14和支撑层15，在第一导电摩擦结构11、第二导电摩擦结构13以及摩擦结构12的外侧设置有一具有弹性的连接结构17，通过该连接结构17将所述第一导电摩擦结构11、第二导电摩擦结构13以及所述摩擦结构12弹性连接。例如，在一实例中，所述连接结构17为一弹簧。

本实施例中，所述第一外力为风能或者振动能形式对应的外力，所述第二外力为拉力、扭转力或者弯折力或者为其它形式的能够在导电摩擦结构上产生应变/形变的作用形式。

在对应连接结构17的摩擦纳米发电机中，所述第二外力施加于所述连接结构17，以使得导电摩擦结构产生应变；所述第一外力施加于所述导电摩擦结构或者同时施加于导电摩擦结构和摩擦结构，例如第一外力为机械作用力，可以仅施加于第一导电摩擦结构11上或者仅施加于第二导电摩擦结构13上；或者第一外力为风力，在第一导电摩擦结构11和第二导电摩擦结构13以及摩擦结构12上同时作用。

在一实例中，摩擦纳米发电机的两个导电摩擦层为柔性石墨烯膜，长×宽×高尺寸为：32mm×10mm×1mm，介电摩擦层为厚度柔性PTFE膜，长×宽×高尺寸为：32mm×10mm×2mm，两端间隔层为垫片，垫片的长×宽×高尺寸为：10mm×10mm×1.5mm，第一外力以风速为10m/s的风力作用进行模拟，第二外力通过在支撑结构15形成的拉手上施加拉力进行模拟，测试该摩擦纳米发电机的电学输出。对该实例的摩擦纳米发电机进行如下实验：(1)不加载第二外力作用(对应应变为0％)检测电学输出，(2)加载第二外力作用，对应的应变从大于零变化至70％分别检测电学输出。实验结果参照图4-图6所示。

图4为根据本公开一实施例所示的摩擦纳米发电机在应变为0％时的(a)输出电压信号图；(b)输出电流信号图。图5为根据本公开一实施例所示的摩擦纳米发电机在应变为70％时的(a)输出电压信号图；(b)输出电流信号图。

对比图4中(a)和(b)以及图5中(a)和(b)所示，该实例的摩擦纳米发电机同时在第一外力作用和第二外力作用下，相较于仅加载第一外力作用，不加载第二外力作用的情况，对应应变程度的增大，石墨烯膜和PTFE膜接触摩擦的面积逐渐增加，发电机的接触分离频率逐渐变大，使得感应电荷增加从而上下两个石墨烯电极之间的输出电压增大，对应输出的开路电压从应变为0％时的39V，在70％应变下提升至128V，短路电流从应变为0％时的1.45μA，在70％应变下提升至7.2μA，实现了输出电压和电流以及功率的提升。

图6为根据本公开一实施例所示的摩擦纳米发电机在0-70％应变范围内的输出电压与发电机接触分离频率随着应变变化的曲线。

实验中，当柔性发电机的应变在0％变化到70％的过程中，对摩擦纳米发电机的输出电压、交流信号的频率进行采集并绘制电压、频率随应变的变化曲线，求出电压、频率在不同应变下的灵敏度，对电压、频率变化曲线利用软件进行函数拟合，拟合出输出电压、频率与不同应变的函数关系，参照图6所示，随着应变程度的增加，发电机的应变从0％逐渐增加至70％的过程中，摩擦纳米发电机的输出电压和发电机振动的频率持续增加。通过数据处理软件对输出电压和压力曲线进拟合，拟合出电压随应变的变化函数关系式，可根据函数关系在输出电压已知的条件下直接得到此时柔性发电机发生的应变大小。对应发电机输出信号的频率与发电机的接触分离频率保持对应，最大应变下发电机的输出电压为128V，测试得到的交流电的最大输出频率为260Hz。

图7和图8为根据本公开一实施例所示的摩擦纳米发电机分别在不同应变下外接可变电阻时的电压变化曲线及相应的功率变化曲线，其中，图7对应的应变为0％，图8对应的应变为70％。本实例中，在摩擦纳米发电机的两个电学输出端之间接入可变电阻箱。

对比图7和图8可知，摩擦纳米发电机的输出受到应变的调制作用，输出的电压及功率与应变存在相关性，随着应变的变化，发电机的最大功率从0.02mW(毫瓦)增加到0.16mW，发电机的内阻从12MΩ(兆欧)减小至5MΩ。如图8所示，最大应变下，柔性摩擦纳米发电机最大功率为0.16mW，内阻为5MΩ。

图9为根据本公开一实施例所示的摩擦纳米发电机在应变为70％时连续工作六小时的电压信号稳定性曲线。

由图9可知，基于摩擦纳米发电机的应变传感器可在应变70％情况下连续稳定地输出信号，说明本实例的摩擦纳米发电机中的导电摩擦层具有良好的机械稳定性。

通过改变柔性基底制备材料中主胶和固化剂的比例，可以使柔性基底具有不同的杨氏模量，由此在其表面制备的导电摩擦层组装的自驱动应变传感器可以在相同外力作用下发生不同的应变，并且在相同的应变区间可以输出特定的应变传感曲线；不同材料制备的导电摩擦结构当然也会输出其相应的应变-电压感应曲线，可以根据实际需求设计出不同材料、不同规格的柔性导电摩擦结构以进行应变的传感；由相同材料制备的不同厚度的导电摩擦层组装的自驱动应变传感器具有不同的应变区间，可以根据实际应用中的应变范围自主设计具有不同应变响应的自驱动应变传感器且每个厚度的柔性膜具有特异的应变量程范围和应变-输出电压响应曲线。

不同的导电材料附着在柔性基底上制备的参数一致的导电摩擦层具有不同的初始电阻，将其与介电摩擦层例如PTFE膜组装的摩擦纳米发电机具有不同的初始输出电信号，即使在应变范围一致的时候，不同材料所制备的摩擦纳米发电机的输出信号的变化规律具有独一性，可以根据实际的应用条件将不同材料之间互相组合，制备出适合应用背景的自驱动应变传感器。例如，对于应变范围要求较广的应用背景，可以选择杨氏模量较小的材料，制备较薄的厚度，为了获得更大的输出功率，选择表面摩擦电荷较大的材料组装发电机；如果要设计能承受更大外界拉力的发电机，就需要选择杨氏模量较大的柔性材料并制备稍厚的柔性膜。同理，相同的导电材料制备的不同厚度的柔性膜组装的发电机对于应变也将有不同的响应，较薄的柔性膜可以承受更大的应变，并且在风速一定的条件下可以有较好的振动情况，较薄的柔性膜对于较小的拉力可以产生更大的应变量，当柔性膜的厚度增加时，承受的应变范围变小，在一定风速下，振幅减小，导致发电机的输出信号减小，发电机作为自驱动应变传感器的应用范围变窄。

将同种材料的导电材料和摩擦材料与柔性基底复合制备相同厚度的不同长度的柔性膜作为导电摩擦层，将不同长度的柔性膜组装成自驱动的应变压力传感器，长度越长的柔性膜由于摩擦面积更大所以摩擦纳米发电机有一较大的初始电压，不同长度的柔性膜气凝胶具有不同的拉力-应变响应和机械性能，在外界给予相同拉力时，不同初始长度的柔性膜会有不同的响应，相应地，不同长度的柔性膜组装的摩擦纳米发电机具有不同的应变-电压输出曲线。通过调控柔性膜的厚度(H)与长度(L)之比来探究不同比例对于自驱动应变传感器的响应灵敏度，同时还应兼顾考虑到柔性膜制备工艺、柔性膜机械强度、风力引起柔性膜的振动等因素，H/L之比需要适中。

下面列举一种制备上述摩擦纳米发电机的方法。

首先制备得到石墨烯的均匀分散液，将分散液利用真空抽滤瓶在PVDF滤纸上得到厚度均匀且致密的石墨烯层并烘干备用，将PDMS主剂和固化剂按照一定的比例混合均匀且排出内部气泡，将干燥后的滤纸放置在亚克力模具中在其上灌注不同体积的PDMS混合胶液，之后一定条件下使其固化。固化后将PDMS从模具中取出，可以得到紧密附着石墨烯的PDMS柔性膜，将柔性膜按需要切割可得到石墨烯电极片。同样的方法可以制备得到附着PTFE颗粒的PDMS柔性膜，将两片单面柔性膜背对背并将光滑面用PDMS混合胶粘合在一起便可得到双面均匀附着PTFE的柔性膜，将其按照目标尺寸切割得到PTFE摩擦膜。该摩擦纳米发电机作为自驱动应变传感器，主要包括两片石墨烯电极片和双面PTFE摩擦膜及亚克力垫片、塑料螺丝，石墨烯电极片(导电摩擦层)既作为发电机的摩擦材料(摩擦层)又作为传感器的传感单元(应变传感层)。

利用机械性能优异、电阻可变的柔性膜作为导电摩擦层，用于感应应变，可以在多次应变-恢复循环后保持较好的循环性能，具有稳定性好、寿命长的特点。

由于制备作为导电摩擦层的柔性膜采用了真空抽滤法，磁控溅射、旋涂、丝网印刷、化学气相沉积、原子层沉积、物理气相沉积等其他方法也可将导电材料附着在柔性基底上。所以实验中柔性膜的长度(L)为32mm，只改变了柔性膜的厚度，厚度在0.5mm-4mm之间变化，当厚度小于1mm时，柔性膜的拍打力度较小，摩擦产生的电荷较小，发电机输出功率较小，当柔性膜的厚度适当增加，柔性膜的拍打力度增加，所能承受的外界拉力增加，发电机的输出信号也随之增加；但当柔性膜的厚度增加至4mm，柔性膜的振幅将减小，甚至在一定风速下，两种摩擦膜很难由于振动发生互相接触摩擦。所以，柔性膜的厚度选择1mm-3mm为适合范围。改变柔性膜制备条件可以得到长度更长的柔性膜，对于应变的传感也将发生改变。

第二实施例

在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种摩擦纳米发电机。与第一实施例相比，本实施例的摩擦纳米发电机为非对称的接触分离模式双电极形式的摩擦纳米发电机。

图11为根据本公开一实施例所示的非对称的接触分离模式双电极模式的摩擦纳米发电机的结构示意图。

本实施例中，参照图11所示，所述摩擦纳米发电机为非对称的接触分离模式双电极形式的发电机，所述导电摩擦层111与所述介电摩擦层122分别作为发电机的两个电极输出端。

本实施例中，该形式的摩擦纳米发电机与双电极形式的发电机类似，可以通过间隔层和支撑结构的形式进行间隔与固定，当然，也可以是通过具有弹性的连接结构实现连接和固定。

在对应连接结构的情况下，参照图11所示，所述具有弹性的连接结构17的两端分别固定于所述导电摩擦结构11以及所述摩擦结构12的外表面。

参考双电极形式的摩擦纳米发电机，在对应支撑结构的情况下，所述支撑结构的两端分别固定于所述导电摩擦结构11以及所述摩擦结构12的外表面。

其他结构与第一实施例相同，这里不再赘述。

第三实施例

在本公开的第三个示例性实施例中，提供了一种自驱动应变传感器，包括本公开提及的任一种摩擦纳米发电机。

该自驱动应变传感器中，由摩擦纳米发电机的导电摩擦结构作为应变传感单元，第二外力作用施加于所示导电摩擦结构上产生应变，同时在摩擦结构与导电摩擦结构上施加第一外力作用，使得所述导电摩擦层与所述介电摩擦层发生接触-分离，从而由于所述应变导致所述导电摩擦层的电阻发生变化，且所述导电摩擦层与所述介电摩擦层的接触面积、接触分离频率及振幅参数至少之一发生变化，从而产生能够表征所述应变的电学输出。

该实施例中，作为自驱动应变传感器，摩擦纳米发电机中的导电摩擦结构兼具电极输出端、摩擦层以及传感单元的作用。在一实例中，第一外力与第二外力的施加方向相互垂直。或者第一外力与第二外力具有相互垂直的分量。

第四实施例

在本公开的第四个示例性实施例中，提供了一种摩擦纳米发电机或者自驱动应变传感器在应变及产生应变的力的表征以及应变极限报警中的应用。

图12为根据本公开一实施例所示的自驱动应变传感器的应用场景示意图。

本实施例中，参照图12所示，所述自驱动应变传感器设置于一某一特定装置上，所述装置在第一外力作用下会发生形变并对所述自驱动应变传感器施加第二外力作用，所述自驱动应变传感器的电学输出连接可视化器件，所述可视化器件随着所述电学输出的变化而发生人眼可见的变化，从而可视化表征所述装置的应变；

所述可视化器件包括但不限于如下器件的一种或几种：灯泡、喇叭、显示器以及机械马达等；

所述装置包括但不限于如下装置的一种或几种：桥梁、广告牌、以及旗帜等。

通过将该自驱动应变传感器设置于一装置上，用于表征该装置的应变程度，该装置例如为桥梁，桥梁在风力作用下(第一外力作用)下发生形变，桥梁的形变作为驱动自驱动应变传感器的第二外力，比如，由于桥梁的形变在该自驱动应变传感器上产生拉力或者扭转力作用等，使该传感器产生应变，从而该传感器在风力作用下输出的电学信号收到所述应变的调制，产生能够表征所述应变的电学输出。将该自驱动应变传感器的电学输出与扩音喇叭、LED灯泡、显示屏、线性马达等装置耦合，在应变增大过程中，发电机输出电压增大，相应的可视化装置的功率慢慢接近最大输出功率，相反，柔性发电机的应变减小过程中，发电机的功率在减小，外接装置的功率也将减小，可以直接在感官上体会到功率的变化，进而得知发电机的应变量改变的情况。例如在图12中，将扩音喇叭与摩擦纳米发电机耦合，应变的从小到大通过扩音喇叭的音量分贝变化直接显现出来，直观地表征桥梁的形变大小。

本实施例中，通过将摩擦纳米发电机安装在户外环境中容易发生应变的装置上，例如，将柔性发电机两端固定在户外空旷场地的广告牌或桥梁两端支架上，当在吹风环境下，广告牌支架或桥梁会发生一定程度的倾斜并拉扯摩擦纳米发电机使其产生应变，应变条件下发电机的输出功率将变大，外接灯泡、喇叭、显示器等装置就能直观发现广告牌或桥梁的应变，起到应变传感和自驱动可视化器件的作用，可以广泛应用于日常生活中容易发生应变场所的自驱动提醒和应变极限报警。

当柔性膜的材料、规格及发电机的关键参数确定后，不同大小的外界拉力可以使发电机发生相应的应变，从而摩擦纳米发电机的电学输出信号将唯一确定，可以得到拉力与输出的曲线图并拟合出拉力与电压的函数关系，便可以通过发电机输出信号数值反推得到作用于发电机上的拉力大小，将发电机转化为“拉力计”。

综上所述，本公开提供了一种摩擦纳米发电机及自驱动应变传感器及其应用，通过摩擦纳米发电机收集环境中的风能/振动能，并能将其有效地转化为电信号输出，同时在第二外力作用下产生不同应变/形变后的电学输出与导电摩擦层的应变呈一定的规律和相关性，避免了应变传感器在工作时的借助外界能源驱动，实现了自驱动应变传感；在一个器件上解决了能源驱动与应变/形变传感两个问题，还可将外界应变的大小变化通过可视化器件如LED灯泡、喇叭、机械马达等显示出来，也可将生活中会发生应变的物件与柔性发电机耦合实现了能源转换与应用的一体化，在应变及产生应变的力的表征以及应变极限报警中具有潜在的应用价值。

本发明中使用的“第一”、“第二”以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的组成部分。“包括”或者“包含”等类似的词语表示开放的意义，除了明确列举的元件、部件、部分或项目外，并不排除其他元件、部件、部分或者项目。“连接”或者“相连”等类似的词语并非限定于物理的或者机械的连接，而是可以包括电性的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。可以理解，当诸如层、膜、区域或衬底基板之类的元件被称作位于另一元件“上”或“下”时，该元件可以“直接”位于另一元件“上”或“下”，或者可以存在中间元件。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：

导电摩擦结构，包含导电摩擦层；

摩擦结构，与所述导电摩擦结构间隔设置，所述摩擦结构包含介电摩擦层，所述介电摩擦层与所述导电摩擦层相对设置；

其中，在第一外力作用下，所述导电摩擦层与所述介电摩擦层发生接触-分离，产生电学输出；同时在第二外力作用下所述导电摩擦层产生应变，使得所述导电摩擦层的电阻发生变化，且所述导电摩擦层与所述介电摩擦层的接触面积、接触分离频率及振幅参数至少之一发生变化，从而产生能够表征所述应变的电学输出。

2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为非对称的接触分离模式双电极形式的发电机，所述导电摩擦层作为一个电极输出端，所述介电摩擦层作为另一电极输出端。

3.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为双电极形式的发电机，所述导电摩擦结构包括：第一导电摩擦结构和第二导电摩擦结构，所述第一导电摩擦结构和所述第二导电摩擦结构分别设置于所述摩擦结构的两侧，所述第一导电摩擦结构包含第一导电摩擦层，所述第二导电摩擦结构包含第二导电摩擦层，所述第一导电摩擦层和所述第二导电摩擦层作为发电机的两个电极输出端。

4.根据权利要求1-3中任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，

所述导电摩擦结构还包括：柔性基底，所述导电摩擦层设置于所述柔性基底表面；和/或，

所述摩擦结构还包括：柔性基底，所述介电摩擦层设置于所述柔性基底表面。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，还包括：具有弹性的连接结构，所述连接结构设置于导电摩擦结构和摩擦结构的外侧，将所述导电摩擦结构与所述摩擦结构弹性连接；

可选的，所述第二外力施加于所述连接结构，所述第一外力施加于所述导电摩擦结构或者同时施加于导电摩擦结构和摩擦结构；

可选的，所述第一外力为风能或者振动能形式对应的外力，所述第二外力为拉力、扭转力或者弯折力。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，所述导电摩擦结构与所述摩擦结构之间设置有间隔层，使得所述摩擦结构与所述导电摩擦结构间隔设置。

7.根据权利要求6所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，

当所述摩擦纳米发电机为非对称的接触分离模式双电极发电机时，还包括：支撑结构，所述支撑结构的两端分别固定于所述导电摩擦结构以及所述摩擦结构的外表面；

当所述摩擦纳米发电机为双电极形式的发电机时，还包括：支撑结构，所述支撑结构的两端分别固定于所述第一导电摩擦结构以及所述第二导电摩擦结构的外表面；

可选的，所述第二外力施加于所述支撑结构，所述第一外力施加于所述导电摩擦结构或者同时施加于所述导电摩擦结构和摩擦结构。

8.根据权利要求4所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，

所述柔性基底的材料包括如下材料的一种或几种：聚二甲基硅氧烷、线性三嵌共聚物、共聚酯、聚酰胺、聚乙烯、聚氯乙烯以及聚偏氟乙烯；和/或，

所述柔性基底的厚度不大于10mm；和/或，

所述导电摩擦层的材料包括如下导电纳米材料的一种或几种：石墨烯、碳纳米管、银纳米线、铜纳米颗粒以及银纳米颗粒；和/或，

所述导电纳米材料附着在所述柔性基底上的方法包括如下方法的一种或几种：真空抽滤、磁控溅射、旋涂、丝网印刷、化学气相沉积、原子层沉积以及物理气相沉积；和/或，

所述介电摩擦层的材料包括如下材料的一种或几种：聚四氟乙烯、醋酸纤维素、聚氯乙烯、尼龙、聚酰亚胺以及聚乙烯。

9.一种自驱动应变传感器，其特征在于，包括权利要求1-8中任一项所述的摩擦纳米发电机。

10.根据权利要求9所述的自驱动应变传感器，其特征在于，所述自驱动应变传感器设置于一某一特定装置上，所述装置在第一外力作用下会发生形变并对所述自驱动应变传感器施加第二外力作用，所述自驱动应变传感器的电学输出连接可视化器件，所述可视化器件随着所述电学输出的变化而发生可被人感知的变化，从而可视化表征所述装置的应变；

可选的，所述可视化器件包括如下器件的一种或几种：灯泡、喇叭、显示器以及机械马达；

可选的，所述装置包括如下装置的一种或几种：桥梁、广告牌、以及旗帜。

11.一种如权利要求1-8中任一项所述的摩擦纳米发电机或者如权利要求9或10所述的自驱动应变传感器在应变及产生应变的力的表征以及应变极限报警中的应用。

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