CN110840394B - 自采集能量发电储能式编织弹力袜 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种自采集能量发电储能式编织弹力袜,主要包括：柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底、柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面、三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器、柔性弹性连接层、穿戴式外接电路按扣式插件口；三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器编织装配在柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面中；穿戴式外接电路按扣式插件口编织装配在柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面的上端；柔性弹性连接层由柔性弹性连接线编织构成；柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面通过柔性弹性连接层与柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底相连接，并构成自采集能量发电储能式编织弹力袜。

Description

自采集能量发电储能式编织弹力袜
技术领域
本发明涉及人体穿戴设备的能源器件领域，更具体地说，涉及一种自采集能量发电储能式编织弹力袜。
背景技术
可穿戴电子设备，即直接穿在人体身上或是整合到用户衣服或配件的一种便携式电子设备。目前，随着时尚、轻薄以及各种各样柔性可穿戴设备的日益普及推广，人们对可穿戴电子设备中的器件抗拉伸性、耐弯曲性、可穿戴性以及电能量持续性等提出了更高的要求。相对于多种多样的可穿戴电子设备及产品，作为其核心部件中的穿戴设备能源器件的发展则相对缓慢。传统的能源器件大都难以有效满足可穿戴设备轻型化、微型化、柔性化、集成化、持久化的发展需要，特别是如何满足大容量的要求，如何确保穿戴设备的较长时间正常运行，如何克服使用者的多次反复充电给穿戴者带来极大的不便等问题。可穿戴能源器件包括能量产生(或转换)和储能器件两大部分，能量产生器件一般是将外部能量转换成电能来实现发电，其中外部能量主要指太阳能、动能、风能、压电(利用来源于运动的多余能量)等。穿戴设备中的能源器件的能量转换一般依赖于外部环境，例如太阳能依赖于天气的变化，在实际应用中会有一些限制；穿戴设备中的能源器件要求具有稳定可靠的电能输出，传统方法是经常采用外部供电能系统。如果能将能量产生和储能器件一体化集成于穿戴设备中，使得器件本身能同时完成能量的产生和存储的双重功能，并在需要时能够输出到外部电路，则可以克服目前穿戴设备存在的缺点，以便更有利于穿戴设备的广泛推广应用。
当前，如何制备出可穿戴能源器件，如何采集穿戴者自身带来的能量，如何做到将能量产生和储能器件进行一体化集成于穿戴设备中，如何使能源器件真正具备穿戴舒适性，如何使可穿戴能源器件具有可持续工作性能，这些问题有待人们去进一步解决。
发明内容
针对当前在穿戴设备中的能源器件存在的系列问题，本发明提供一种自采集能量发电储能式编织弹力袜。
一种自采集能量发电储能式编织弹力袜,主要包括：柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底、柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面、三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器、柔性弹性连接层、穿戴式外接电路按扣式插件口；所述三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器编织装配在柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面中；所述穿戴式外接电路按扣式插件口编织装配在柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面的上端；所述柔性弹性连接层由柔性弹性连接线编织构成；所述柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面通过柔性弹性连接层与柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底相连接，并构成自采集能量发电储能式编织弹力袜。
上述方案中，所述柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底，主要包括：上层绝缘弹性层、上层三维多孔石墨烯电极层、上层微纳米阵列摩擦层、中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层、中间微纳米阵列摩擦层、中间三维多孔石墨烯电极层、下层压电纤维薄膜层、下层三维多孔石墨烯电极层、下层绝缘弹性层；所述上层绝缘弹性层与上层三维多孔石墨烯电极层的一面相连接；所述上层三维多孔石墨烯电极层的另一面与上层微纳米阵列摩擦层的一面相连接；所述上层微纳米阵列摩擦层的另一面与中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层的一面相连接；所述中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层的另一面与中间微纳米阵列摩擦层的一面相连接；所述中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层包括由弹性织物层编织构成的中间经编间隔孔洞阵列；所述中间经编间隔孔洞阵列包括若干中间经编间隔孔洞；所述中间经编间隔孔洞具体由弹性织物线按照一定距离编织构成，在一定外部压力作用下，中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层能够发生可逆弹性收缩与伸展，能够使上层微纳米阵列摩擦层的微纳米阵列线或微纳米阵列棒穿过中间经编间隔孔洞阵列，与中间微纳米阵列摩擦层产生接触摩擦发电效应；所述中间微纳米阵列摩擦层的另一面与中间三维多孔石墨烯电极层的一面相连接；所述中间三维多孔石墨烯电极层的另一面与下层压电纤维薄膜层的一面相连接；所述下层压电纤维薄膜层的另一面与下层三维多孔石墨烯电极层c的一面相连接；所述下层三维多孔石墨烯电极层的另一面与下层绝缘弹性层相连接；所述上层绝缘弹性层和下层绝缘弹性层的四周均有系列编织连接孔洞；所述柔性弹性连接线穿过所述系列编织连接孔洞将柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底和柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面编织相连接，并构成一体化结构；在行走过程中，所述柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底，在足部行走压力作用下产生微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电效应。
上述方案中，所述上层微纳米阵列摩擦层和中间微纳米阵列摩擦层的材料，分别采用两种不相同的高分子聚合物材料；两种不相同的高分子聚合物材料分别带上等量的异种电荷；所述高分子聚合物材料的表面进行微纳米结构化处理；所述微纳米结构化处理的方式为：在高分子聚合物材料的表面采用下列方法之一进行处理：采用干法蚀刻、湿法刻蚀、光刻蚀、电感耦合等离子体反应离子刻蚀、物理化学沉积方法来构筑或组装微纳米线阵列或微纳米棒阵列。
上述方案中，所述上层微纳米阵列摩擦层和中间微纳米阵列摩擦层的材料，分别采用高分子聚合物材料和金属材料；所述高分子聚合物材料和金属材料分别带上等量的异种电荷；所述高分子聚合物材料和金属材料的表面进行微纳米结构化处理；所述微纳米结构化处理的方式为：在高分子聚合物材料和金属材料的表面采用下列方法之一进行处理：采用干法蚀刻、湿法刻蚀、光刻蚀、电感耦合等离子体反应离子刻蚀、物理化学沉积方法来构筑或组装微纳米线阵列或微纳米棒阵列。
上述方案中，所述三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器主要包括：内电极层、电解液隔膜层、外电极层、外弹性绝缘层；所述内电极层采用碳纳米管纤维复合导电纱线；所述碳纳米管纤维复合导电纱线由碳纳米管纤维纱线与金属氧化物或导电聚合物组装复合构成；所述外电极层采用三维多孔石墨烯与金属氧化物或导电聚合物组装复合构成；所述电解液隔膜层采用固态电解质；所述电解液隔膜层包覆在内电极层的外面；所述外电极层包覆在电解液隔膜层的外面；所述外弹性绝缘层包覆在外电极层的外面。
上述方案中，所述柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面采用编织机将织物经线和织物纬线按照一定规律交替排布形成编织结构；所述织物经线由碳纳米管纤维复合导电纱线的外层包覆缠绕柔性摩擦材料A构成；所述碳纳米管纤维复合导电纱线由碳纳米管纤维纱线与金属氧化物或导电聚合物组装复合构成；所述柔性摩擦材料A采用羊毛线、蚕丝线、棉线、聚酰胺线、锦纶(PA6)线中的任一种；所述织物纬线由弹性金属丝的外层包覆缠绕柔性摩擦材料B构成；所述柔性摩擦材料B采用涤纶线、聚丙烯腈线、腈氯纶线中的任一种；所述弹性金属丝采用不锈钢丝或铜丝；在行走过程中，所述柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面在腿部肌肉与柔性弹性连接层的协同作用下，产生微纳米弹性摩擦发电效应。
上述方案中，所述三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器具有存储柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底和柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面的发电能量的功能；在所述柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底中，所述上层三维多孔石墨烯电极层、中间三维多孔石墨烯电极层和下层三维多孔石墨烯电极层通过电路与三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器相连接；在所述柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面中，所述碳纳米管纤维复合导电纱线和弹性金属丝通过电路与三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器相连接；所述三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器通过电路与穿戴式外接电路按扣式插件口相连接；所述穿戴式外接电路按扣式插件口与人体穿戴设备相连接；通过穿戴式外接电路按扣式插件口将三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器存储的电能提供给穿戴设备。
上述方案中，所述金属氧化物采用CuO、Co3O4、MnO2、Bi2O3、RuO2、Ni(OH)2中的任一种；所述导电聚合物采用聚噻吩或PANI(聚苯胺)；所述固态电解质采用PVA(聚乙烯醇)/KOH、CuI、CuSCN、(C4H9)2、4CuBr3S、PEO、PAN、P(VDF-HFP)((聚偏氟乙烯-六氟丙烯)共聚物)、固态复合电解质中的任一种。
上述方案中，所述下层压电纤维薄膜层采用PVDF(聚偏氟乙烯)压电纤维薄膜、ZnO压电纤维薄膜、CdS压电纤维薄膜、CdSe压电纤维薄膜、ZnS压电纤维薄膜、CdTe压电纤维薄膜、ZnTe压电纤维薄膜、GaAs压电纤维薄膜、GaSb压电纤维薄膜、InAs压电纤维薄膜、InSb压电纤维薄膜、AlN压电纤维薄膜中的任一种。
本发明提供的一种自采集能量发电储能式编织弹力袜的工作过程如下：
穿戴者穿戴上自采集能量发电储能式编织弹力袜，在行走过程中，穿戴者的足底压在柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底；在一定足部压力作用下，在柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底的中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层能够发生可逆弹性收缩与伸展，能够使上层微纳米阵列摩擦层的微纳米阵列线或微纳米阵列棒穿过中间经编间隔孔洞阵列，与中间微纳米阵列摩擦层形成垂直接触-分离摩擦纳米发电机模式；在电介质-电介质材料结构中，由两种不同的介电材料分别作为上层微纳米阵列摩擦层的摩擦接触面和中间微纳米阵列摩擦层的摩擦接触面，其上层三维多孔石墨烯电极层和中间三维多孔石墨烯电极层分别作为电极；当两种电介质摩擦材料由于足部外力作用产生相互接触时，会在摩擦接触表面形成符号相反的表面电荷，当足部冲击力或振动力撤销时，摩擦接触表面在间隔弹性层作用下实现分离，两个三维多孔石墨烯电极层之间通过整流电路外接负载电阻上时，会由于电极间的感应电势差形成电流。当在足部冲击力或振动力作用下，导致两个摩擦面再次接触时，由摩擦电荷形成的电势差消失，形成方向相反的电流，其垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机可以用来有效地收集转换足部冲击力或振动力带来的能量。垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机产生的摩擦发电量，通过上层三维多孔石墨烯电极层和中间三维多孔石墨烯电极层及电路传输给三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器存储备用。
当穿戴者的足部压在柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底；在一定足部压力作用下，中间三维多孔石墨烯电极层的另一面对下层压电纤维薄膜层传递作用力，使下层压电纤维薄膜层产生压电发电效应；其产生的压电发电量通过中间三维多孔石墨烯电极层和下层三维多孔石墨烯电极层，并通过电路传输给三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器存储备用。
穿戴者在行走过程中，其腿部肌肉产生伸缩力及振动力，并作用在柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面；由于柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面采用编织机将织物经线和织物纬线按照一定规律交替排布形成编织结构；织物经线采用碳纳米管纤维复合导电纱线的外层包覆缠绕柔性摩擦材料A构成；织物纬线采用弹性金属丝的外层包覆缠绕柔性摩擦材料B构成；在弹性金属丝和柔性弹性连接层的协同弹性力作用下，柔性摩擦材料A和柔性摩擦材料B构成垂直接触-分离摩擦纳米发电机模式，在电介质-电介质材料结构中，由两种不同的介电材料分别采用柔性摩擦材料A和柔性摩擦材料B作为摩擦接触面，其织物经线中的碳纳米管纤维复合导电纱线作为一个电极，织物纬线中的弹性金属丝作为另一个电极；当两种电介质摩擦材料由于腿部外力作用相互接触时，会在摩擦接触表面形成符号相反的表面电荷，当腿部冲击力或振动力撤销时，摩擦接触表面在弹性金属丝与柔性弹性连接层协同弹性作用下实现分离，两个电极通过整流电路外接负载电阻上时，会由于电极间的感应电势差形成电流。当在腿部冲击力或振动力作用下，导致两个摩擦面再次接触时，由摩擦电荷形成的电势差消失，形成方向相反的电流，其垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机可以用来有效地收集转换腿部冲击力或振动力带来的能量。柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面产生的摩擦发电量，通过碳纳米管纤维复合导电纱线和弹性金属丝及电路，传输给三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器存储备用。
三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器中存储的电能量，通过穿戴式外接电路按扣式插件口能够传输给穿戴设备使用。
实施本发明的自采集能量发电储能式编织弹力袜具有以下有益效果：
a、本发明的柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底，采用由上层微纳米阵列摩擦层的微纳米阵列线或微纳米阵列棒穿过中间经编间隔孔洞阵列，与中间微纳米阵列摩擦层的产生垂直接触-分离摩擦纳米发电机模式，可以用来有效地收集转换足部冲击力或振动力带来的能量。垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机产生的摩擦发电量，通过上层三维多孔石墨烯电极层和中间三维多孔石墨烯电极层及电路传输给三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器存储备用。
b、本发明的柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底，采用中间三维多孔石墨烯电极层的另一面对下层压电纤维薄膜层传递作用力，使压电纤维薄膜层产生压电发电效应；其产生的压电发电量通过中间三维多孔石墨烯电极层和下层三维多孔石墨烯电极层，并通过电路传输给三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器存储备用。
c、本发明的柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面，采用编织机将织物经线和织物纬线按照一定规律交替排布形成编织结构；由于织物经线采用碳纳米管纤维复合导电纱线的外层包覆缠绕柔性摩擦材料A构成；织物纬线采用在弹性金属丝的外层包覆缠绕柔性摩擦材料B构成；将三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器编织在其中，并构成摩擦发电与储能一体化的可穿戴能源器件；在腿部肌肉产生伸缩力及振动力、弹性金属丝弹性力和柔性弹性连接层弹性力的协同作用下，柔性摩擦材料A和柔性摩擦材料B构成垂直接触-分离弹性摩擦纳米发电机模式，并通过电路传输给三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器存储备用。
d、本发明的三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器，采用三维多孔石墨烯材料作为超级电容器的电极，使电极表面积增大，电容量增加，导电性能增强，优化并提高了超级电容器的各项性能指标；同时三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器与柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底和柔性微纳米弹性摩擦发电式袜面相结合，并构成一体化结构，使自采集能量发电储能式编织弹力袜具有自采集能量发电与储能的综合性能，优化提高了穿戴设备中的能源器件性能指标；因此，自采集能量发电储能式编织弹力袜能够为穿戴设备提供所需要的电能，并在人体穿戴使用过程中具有可穿戴性、适用性和舒适性。
附图说明
图1是本发明的自采集能量发电储能式编织弹力袜的结构示意图；
图2是本发明采用的柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底的结构示意图；
图3是本发明采用的柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底的中间经编间隔孔洞阵列结构示意图；
图4是本发明采用的柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底的柔性弹性连接层编织孔洞排布示意图；
图5是本发明采用的柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面的编织结构示意图；
图6是本发明采用的三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器的结构示意图。
图中：自采集能量发电储能式编织弹力袜-1、柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底-2、中间经编间隔孔洞阵列-3、中间经编间隔孔洞-3a、柔性弹性连接层编织孔洞排布-4、柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面-5、三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器-6、柔性弹性连接层-7、穿戴式外接电路按扣式插件口-8、上层绝缘弹性层-9、上层三维多孔石墨烯电极层-10、上层微纳米阵列摩擦层-11、中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层-12、中间微纳米阵列摩擦层-13、中间三维多孔石墨烯电极层-14、下层压电纤维薄膜层-15、下层三维多孔石墨烯电极层-16、下层绝缘弹性层-17、系列编织连接孔洞-18、内电极层-19、电解液隔膜层-20、外电极层-21、外弹性绝缘层-22、织物经线-23、织物纬线-24。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地描述。
实施例：
参考图1，本发明提供的自采集能量发电储能式编织弹力袜1，主要包括：柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底2、柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面5、三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器6、柔性弹性连接层7、穿戴式外接电路按扣式插件口8；三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器6编织装配在柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面5中；穿戴式外接电路按扣式插件口8编织装配在柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面5的上端；柔性弹性连接层7由柔性弹性连接线编织构成；柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面5通过柔性弹性连接层7与柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底2相连接，并构成自采集能量发电储能式编织弹力袜1。
柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底2(见图2)，主要包括：上层绝缘弹性层9、上层三维多孔石墨烯电极层10、上层微纳米阵列摩擦层11、中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层12、中间微纳米阵列摩擦层13、中间三维多孔石墨烯电极层14、下层压电纤维薄膜层15、下层三维多孔石墨烯电极层16、下层绝缘弹性层17；上层绝缘弹性层9与上层三维多孔石墨烯电极层10的一面相连接；上层三维多孔石墨烯电极层10的另一面与上层微纳米阵列摩擦层11的一面相连接；上层微纳米阵列摩擦层11的另一面与中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层12的一面相连接；中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层12的另一面与中间微纳米阵列摩擦层13的一面相连接；中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层12包括由弹性织物层编织构成的中间经编间隔孔洞阵列3(见图3)，中间经编间隔孔洞阵列3包括若干中间经编间隔孔洞3a，中间经编间隔孔洞3a具体由弹性织物线按照一定距离编织构成，在一定外部压力作用下，中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层12能够发生可逆弹性收缩与伸展，能够使上层微纳米阵列摩擦层11的微纳米阵列线或微纳米阵列棒穿过中间经编间隔孔洞阵列3，与中间微纳米阵列摩擦层13产生接触摩擦发电效应；中间微纳米阵列摩擦层13的另一面与中间三维多孔石墨烯电极层14的一面相连接；中间三维多孔石墨烯电极层14的另一面与下层压电纤维薄膜层15的一面相连接；下层压电纤维薄膜层15的另一面与下层三维多孔石墨烯电极层16的一面相连接；下层三维多孔石墨烯电极层16的另一面与下层绝缘弹性层17相连接；上层绝缘弹性层9和下层绝缘弹性层17的四周均有系列编织连接孔洞18，系列编织连接孔洞18和下层绝缘弹性层17构成柔性弹性连接层编织孔洞排布4(见图4)；柔性弹性连接线穿过系列编织连接孔洞18，将柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底2和柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面5编织相连接，并构成一体化结构；在行走过程中，柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底2，在足部行走压力作用下产生微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电效应。
上层微纳米阵列摩擦层11和中间微纳米阵列摩擦层13的材料，分别采用两种不相同的高分子聚合物材料；两种不相同的高分子聚合物材料分别带上等量的异种电荷；两种高分子聚合物材料分别为Kapton薄膜和PET薄膜；高分子聚合物材料的表面进行微纳米结构化处理；采用物理化学沉积方法来构筑或组装微纳米线阵列或微纳米棒阵列。
上层三维多孔石墨烯电极层10、中间三维多孔石墨烯电极层14、下层三维多孔石墨烯电极层16的材料选用三维多孔石墨烯。
三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器6(见图6)，主要包括：内电极层19、电解液隔膜层20、外电极层21、外弹性绝缘层22；内电极层19采用碳纳米管纤维复合导电纱线；碳纳米管纤维复合导电纱线由碳纳米管纤维纱线与金属氧化物CuO组装复合构成；外电极层21采用三维多孔石墨烯与金属氧化物CuO组装复合构成；电解液隔膜层20采用固态电解质；电解液隔膜层20包覆在内电极层19的外面；外电极层21包覆在电解液隔膜层20的外面；外弹性绝缘层22包覆在外电极层21的外面。本实施例电解液隔膜层20的固态电解质采用：PVA/KOH8。
柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面5，采用编织机将织物经线23和织物纬线24按照一定规律交替排布形成编织结构(见图5)；织物经线23由碳纳米管纤维复合导电纱线的外层包覆缠绕柔性摩擦材料A构成；柔性摩擦材料A采用羊毛线；织物纬线24由弹性金属丝的外层包覆缠绕柔性摩擦材料B构成；柔性摩擦材料B采用涤纶线；弹性金属丝采用不锈钢丝；在行走过程中，柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面5在腿部肌肉、不锈钢丝与柔性弹性连接层7的协同作用下，产生微纳米弹性摩擦发电效应。
三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器6，具有存储柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底2和柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面5的发电能量的功能；在柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底2中，上层三维多孔石墨烯电极层10、中间三维多孔石墨烯电极层14和下层三维多孔石墨烯电极层16通过电路与三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器6相连接；在柔性微纳米弹性摩擦发电式袜面5中，碳纳米管纤维复合导电纱线和弹性金属丝通过电路与三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器6相连接；三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器6通过电路与穿戴式外接电路按扣式插件口8相连接；穿戴式外接电路按扣式插件口8与人体穿戴设备相连接，并给人体穿戴设备提供所需电能。
本实施例的下层压电纤维薄膜层15，采用：PVDF(聚偏氟乙烯)压电纤维薄膜。
本实施例提供的自采集能量发电储能式编织弹力袜1的工作过程如下：
穿戴者穿戴上自采集能量发电储能式编织弹力袜1，在行走过程中，穿戴者的足底压在柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底2；在一定足部压力作用下，在柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底2的中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层12能够发生可逆弹性收缩与伸展，能够使上层微纳米阵列摩擦层11的微纳米阵列线或微纳米阵列棒穿过中间经编间隔孔洞阵列3(见图3)，与中间微纳米阵列摩擦层13产生垂直接触-分离摩擦纳米发电机模式；在电介质-电介质材料结构中，由两种不同的介电材料分别作为上层微纳米阵列摩擦层11的摩擦接触面和中间微纳米阵列摩擦层13的摩擦接触面，其上层三维多孔石墨烯电极层10和中间三维多孔石墨烯电极层14分别作为电极；当两种电介质摩擦材料由于足部外力作用产生相互接触时，会在摩擦接触表面形成符号相反的表面电荷，当足部冲击力或振动力撤销时，摩擦接触表面在间隔弹性层作用下实现分离，两个三维多孔石墨烯电极层之间通过整流电路外接负载电阻上时，会由于电极间的感应电势差形成电流。当在足部冲击力或振动力作用下，导致两个摩擦面再次接触时，由摩擦电荷形成的电势差消失，形成方向相反的电流，其垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机可以用来有效地收集转换足部冲击力或振动力带来的能量。垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机产生的摩擦发电量，通过上层三维多孔石墨烯电极层10和中间三维多孔石墨烯电极层14及电路传输给三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器6存储备用。
当穿戴者的足部压在柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底2；在一定足部压力作用下，中间三维多孔石墨烯电极层14的另一面对下层压电纤维薄膜层15传递作用力(见图2)，使下层压电纤维薄膜层15产生压电发电效应；其产生的压电发电量通过中间三维多孔石墨烯电极层14和下层三维多孔石墨烯电极层16，并通过电路传输给三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器6存储备用。
穿戴者在行走过程中，其腿部肌肉产生伸缩力及振动力，并作用在柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面5；由于柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面5采用编织机将织物经线23和织物纬线24(见图5)按照一定规律交替排布形成编织结构；织物经线23由碳纳米管纤维复合导电纱线的外层包覆缠绕羊毛线构成；织物纬线24由不锈钢丝的外层包覆缠绕涤纶线构成；在腿部肌肉产生伸缩力及振动力、不锈钢丝弹性力和柔性弹性连接层7弹性力的协同作用下，羊毛线和涤纶线构成垂直接触-分离摩擦纳米发电机模式，在电介质-电介质材料结构中，由两种不同的介电材料分别采用羊毛线和涤纶线作为摩擦接触面，其织物经线23中的碳纳米管纤维复合导电纱线作为一个电极，织物纬线24中的不锈钢丝作为另一个电极；当两种电介质摩擦材料由于腿部外力作用相互接触时，会在摩擦接触表面形成符号相反的表面电荷，当腿部冲击力或振动力撤销时，摩擦接触表面在不锈钢丝与柔性弹性连接层7协同弹性作用下实现分离，两个电极通过整流电路外接负载电阻上时，会由于电极间的感应电势差形成电流。当在腿部冲击力或振动力作用下，导致两个摩擦面再次接触时，由摩擦电荷形成的电势差消失，形成方向相反的电流，其垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机可以用来有效地收集转换腿部冲击力或振动力带来的能量。柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面5产生的摩擦发电量，通过碳纳米管纤维复合导电纱线电极和不锈钢丝电极及电路，传输给三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器6存储备用。
三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器6中存储的电能量，通过穿戴式外接电路按扣式插件口8能够传输给穿戴设备使用。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (10)

1.一种自采集能量发电储能式编织弹力袜,其特征在于,包括：柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底、柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面、三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器、柔性弹性连接层；所述三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器编织装配在柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面中；所述柔性弹性连接层由柔性弹性连接线编织构成；所述柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面通过柔性弹性连接层与柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底相连接；所述柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底在足部行走压力作用下能产生微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电效应；所述柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面在足部行走过程中能产生微纳米弹性摩擦发电效应；所述三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器存储柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底和柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面的发电能量；所述柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面采用编织机将织物经线和织物纬线交替排布形成编织结构；所述织物经线由碳纳米管纤维复合导电纱线的外层包覆缠绕柔性摩擦材料A构成；所述碳纳米管纤维复合导电纱线由碳纳米管纤维纱线与金属氧化物或导电聚合物组装复合构成；所述织物纬线由弹性金属丝的外层包覆缠绕柔性摩擦材料B构成。
2.根据权利要求1所述的自采集能量发电储能式编织弹力袜，其特征在于,所述柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底，包括：上层绝缘弹性层、上层三维多孔石墨烯电极层、上层微纳米阵列摩擦层、中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层、中间微纳米阵列摩擦层、中间三维多孔石墨烯电极层、下层压电纤维薄膜层、下层三维多孔石墨烯电极层、下层绝缘弹性层；所述上层绝缘弹性层与上层三维多孔石墨烯电极层的一面相连接；所述上层三维多孔石墨烯电极层的另一面与上层微纳米阵列摩擦层的一面相连接；所述上层微纳米阵列摩擦层的另一面与中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层的一面相连接；所述中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层的另一面与中间微纳米阵列摩擦层的一面相连接；所述中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层包括由弹性织物层编织构成的中间经编间隔孔洞阵列；所述中间经编间隔孔洞阵列包括若干中间经编间隔孔洞；所述中间经编间隔孔洞具体由弹性织物线编织构成，在外部压力作用下，中间经编间隔孔洞阵列弹性织物层能够发生可逆弹性收缩与伸展，使上层微纳米阵列摩擦层的微纳米阵列线或微纳米阵列棒穿过中间经编间隔孔洞阵列，与中间微纳米阵列摩擦层产生接触摩擦发电效应；所述中间微纳米阵列摩擦层的另一面与中间三维多孔石墨烯电极层的一面相连接；所述中间三维多孔石墨烯电极层的另一面与下层压电纤维薄膜层的一面相连接；所述下层压电纤维薄膜层的另一面与下层三维多孔石墨烯电极层的一面相连接；所述下层三维多孔石墨烯电极层的另一面与下层绝缘弹性层相连接；所述上层绝缘弹性层和下层绝缘弹性层的四周均有系列编织连接孔洞；所述柔性弹性连接线穿过所述系列编织连接孔洞将柔性微纳米阵列弹性摩擦与压电复合发电式袜底和柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面编织相连接。
3.根据权利要求2所述的自采集能量发电储能式编织弹力袜，其特征在于,所述上层微纳米阵列摩擦层和中间微纳米阵列摩擦层的材料分别采用两种不相同的高分子聚合物材料；两种不相同的高分子聚合物材料分别带上等量的异种电荷；所述高分子聚合物材料的表面进行微纳米结构化处理；所述微纳米结构化处理的方式为：在高分子聚合物材料的表面采用下列方法之一进行处理：采用干法蚀刻、湿法刻蚀、光刻蚀、电感耦合等离子体反应离子刻蚀、物理化学沉积方法来构筑或组装微纳米线阵列或微纳米棒阵列。
4.根据权利要求2所述的自采集能量发电储能式编织弹力袜，其特征在于,所述上层微纳米阵列摩擦层和中间微纳米阵列摩擦层的材料分别采用高分子聚合物材料和金属材料；所述高分子聚合物材料和金属材料分别带上等量的异种电荷；所述高分子聚合物材料和金属材料的表面进行微纳米结构化处理；所述微纳米结构化处理的方式为：在高分子聚合物材料和金属材料的表面采用下列方法之一进行处理：采用干法蚀刻、湿法刻蚀、光刻蚀、电感耦合等离子体反应离子刻蚀、物理化学沉积方法来构筑或组装微纳米线阵列或微纳米棒阵列。
5.根据权利要求1所述的自采集能量发电储能式编织弹力袜，其特征在于,所述三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器包括：内电极层、电解液隔膜层、外电极层、外弹性绝缘层；所述内电极层采用碳纳米管纤维复合导电纱线；所述碳纳米管纤维复合导电纱线由碳纳米管纤维纱线与金属氧化物或导电聚合物组装复合构成；所述外电极层采用三维多孔石墨烯与金属氧化物或导电聚合物组装复合构成；所述电解液隔膜层采用固态电解质；所述电解液隔膜层包覆在内电极层的外面；所述外电极层包覆在电解液隔膜层的外面；所述外弹性绝缘层包覆在外电极层的外面。
6.根据权利要求1所述的自采集能量发电储能式编织弹力袜，其特征在于,所述柔性摩擦材料A采用羊毛线、蚕丝线、棉线、聚酰胺线、锦纶线中的任一种；所述柔性摩擦材料B采用涤纶线、聚丙烯腈线、腈氯纶线中的任一种；所述弹性金属丝采用不锈钢丝或铜丝。
7.根据权利要求6所述的自采集能量发电储能式编织弹力袜，其特征在于,所述碳纳米管纤维复合导电纱线和弹性金属丝通过电路与三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器相连接。
8.根据权利要求1所述的自采集能量发电储能式编织弹力袜，其特征在于,所述自采集能量发电储能式编织弹力袜还包括穿戴式外接电路按扣式插件口；所述穿戴式外接电路按扣式插件口编织装配在柔性微纳米弹性摩擦发电储能式袜面的上端；所述穿戴式外接电路按扣式插件口通过电路与三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器相连接；通过穿戴式外接电路按扣式插件口将三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器存储的电能提供给穿戴设备。
9.根据权利要求2所述的自采集能量发电储能式编织弹力袜，其特征在于，所述上层三维多孔石墨烯电极层、中间三维多孔石墨烯电极层和下层三维多孔石墨烯电极层通过电路与三维多孔石墨烯复合同轴结构式柔性超级电容器相连接。
10.根据权利要求2所述的自采集能量发电储能式编织弹力袜，其特征在于，所述下层压电纤维薄膜层采用PVDF压电纤维薄膜、ZnO压电纤维薄膜、CdS压电纤维薄膜、CdSe压电纤维薄膜、ZnS压电纤维薄膜、CdTe压电纤维薄膜、ZnTe压电纤维薄膜、GaAs压电纤维薄膜、GaSb压电纤维薄膜、InAs压电纤维薄膜、InSb压电纤维薄膜、AlN压电纤维薄膜中的任一种。
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CN110840394A (zh) 2020-02-28

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