CN110965200B - 可发电编织件、智能鞋底及智能地毯 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可发电编织件、智能鞋底及智能地毯。该可发电编织件包括多个沿第一方向设置的导电轴纱，及穿插设置于多个导电轴纱之间并沿导电轴纱的轴向延伸的多个编织纱，多个编织纱与多个导电轴纱共同构成平面或立体结构，其中，编织纱包括导电束及包覆导电束的介电层；当受到外力作用时，导电轴纱及编织纱发生形变，导电轴纱与其周围的多个编织纱的介电层发生接触，在接触和分离的过程中，导电轴纱与多个编织纱的导电束之间产生电输出。本发明的可发电编织件，提高了可发电编织件的能量转化效率、电输出性能，同时也提高了压力传感灵敏度，扩大了摩擦纳米发电织物的应用范围。

Description

可发电编织件、智能鞋底及智能地毯

技术领域

本发明涉及纳米发电技术领域，尤其涉及一种可发电编织件、智能鞋底及智能地毯。

背景技术

随着物联网、大数据和人工智能等现代信息技术的迅速崛起和强势来袭，小功率、轻量化、可携带、持续可再生的供能方式已经成为未来经济社会发展和人们日常生活的主旋律和迫切需求。

将日常被人们废弃的运动机械能转化为可穿戴设备所需的电能是解决以人为根本的能源需求的最有效方法之一。摩擦纳米发电机是通过接触起电和静电感应耦合机理将机械能直接转化为电能的技术，因具有制备简单、材料来源广泛、生产成本低、发电效率高等优点，摩擦纳米发电机在国计民生的各个方面正发挥着越来越重要的作用。将摩擦纳米发电机与人类日常穿着、使用的纺织品相结合是实现无负担式能量采集回收的重要手段之一，也是实现能量源和应用终端高效结合的有效方式。因而，摩擦纳米发电织物是实现未来可穿戴电子设备供电和自驱动信号传感的重要途径。

目前，已经有摩擦纳米发电织物的相关报道，但其均存在能量转化效率和电输出性能较低的问题，难以满足大多数可穿戴电子设备的供电需求。另外，大多数摩擦纳米发电织物的压缩回弹性差，压力灵敏性低，无法实现高灵敏度的压力传感。

发明内容

本发明实施例提供一种可发电编织件、智能鞋底及智能地毯，提高了摩擦纳米发电织物能量转化效率和电输出性能。

一方面，本发明实施例提出了一种可发电编织件，包括多个沿第一方向设置的导电轴纱，及穿插设置于多个导电轴纱之间并沿导电轴纱的轴向延伸的多个编织纱，多个编织纱与多个导电轴纱共同构成平面或立体结构，其中，编织纱包括导电束及包覆导电束的介电层；当受到外力作用时，导电轴纱及编织纱发生形变，导电轴纱与其周围的多个编织纱的介电层发生接触，在接触和分离的过程中，导电轴纱与多个编织纱的导电束之间产生电输出。

根据本发明实施例的一个方面，导电束包括多个导电纱线，多个导电纱线向同一方向延伸并相互交叉缠绕。

根据本发明实施例的一个方面，导电纱线包括多个向同一方向延伸的导电纤维，相邻导电纤维之间直接接触。

根据本发明实施例的一个方面，介电层与导电束直接接触，导电束设置于介电层的居中位置。

根据本发明实施例的一个方面，介电层为空心管状结构，介电层的外圈形状为圆形，导电轴纱的外圈形状也为圆形。

根据本发明实施例的一个方面，介电层的内圈形状为圆形或多边形，导电束的外圈形状为与介电层的内圈形状相匹配的圆形或多边形。

根据本发明实施例的一个方面，导电轴纱为线状结构。

根据本发明实施例的一个方面，导电轴纱的材料为具有电正性的材料，介电层的材料为具有电负性的材料。

另一方面，本发明实施例提出了一种智能鞋底，包括如前述的可发电编织件。

又一方面，本发明实施例提出了一种智能地毯，包括如前述的可发电编织件。

本发明实施例提供的可发电编织件，多个编织纱穿插设置于多个导电轴纱之间，多个编织纱与多个导电轴纱共同构成平面或立体结构，编织纱与导电轴纱之间具备足够多的接触空间，当受到外力作用时编织纱与导电轴纱之间的接触面积大，编织纱与导电轴纱之间的电量输出高，提高了可发电编织件的能量转化效率、电输出性能，同时也提高了压力传感灵敏度，扩大了摩擦纳米发电织物的应用范围。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例的可发电编织件在某一视角下的结构示意图。

图2为本发明实施例的可发电编织件的断面结构示意图。

图3为本发明实施例的可发电编织件的编织纱的横截面结构示意图。

图4为本发明实施例的可发电编织件的导电束的结构示意图。

图5为本发明实施例的可发电编织件在某一状态下的断面结构局部示意图。

图6为本发明实施例的可发电编织件在另一状态下的断面结构局部示意图。

图7为本发明实施例的可发电编织件在又一状态下的断面结构局部示意图。

图8为本发明实施例的可发电编织件的规格不同时的电输出性能比较图。

图9为本发明实施例的可发电编织件的编织角的示意图。

图10为本发明实施例的智能鞋底的主视结构示意图。

图11为本发明实施例的智能鞋底的侧视结构示意图。

图12为本发明实施例的智能地毯的结构示意图。

附图中：

100-可发电编织件，200-外部封装层，300-普通编织物；

110-导电轴纱，120-编织纱；

121-导电束，122-介电层；

1211-导电纱线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明的实施方式作进一步详细描述。以下实施例的详细描述和附图用于示例性地说明本发明的原理，但不能用来限制本发明的范围，即本发明不限于所描述的实施例。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有说明，术语“第一”和“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性；“多个”的含义是两个或两个以上；术语“内”、“外”、“顶部”、“底部”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。

请参阅图1、图2及图3，本发明实施例的可发电编织件，包括多个沿第一方向设置的导电轴纱110，及穿插设置于多个导电轴纱110之间并沿导电轴纱110的轴向延伸的多个编织纱120，多个编织纱120与多个导电轴纱110共同构成平面或立体结构，其中，编织纱120包括导电束121及包覆导电束121的介电层122；当受到外力作用时，导电轴纱110及编织纱120发生形变，导电轴纱110与其周围的多个编织纱120的介电层122发生接触，在接触和分离的过程中，导电轴纱110与多个编织纱120的导电束121之间产生电输出。本实施例的多个编织纱120穿插设置于多个导电轴纱110之间，多个编织纱120与多个导电轴纱110共同构成平面或立体结构，编织纱120与导电轴纱110之间具备足够多的接触空间，当受到外力作用时编织纱120与导电轴纱110之间的接触面积大，编织纱120与导电轴纱110之间的电量输出高，提高了可发电编织件的能量转化效率、电输出性能，同时也提高了压力传感灵敏度，提高了摩擦纳米发电织物能量转化效率和电输出性能，扩大了摩擦纳米发电织物的应用范围，能够作为移动电源使用，满足大多数可穿戴电子设备的供电需求。

在本实施例中，导电轴纱110始终处于伸直排列状态，且其轴向方向可始终与编织件整体的轴向平行；在编织过程中，导电轴纱110不参与任何交织，而编织纱120则沿着导电轴纱110的轴向在全部导电轴纱110之间进行缠绕运行，形成平面或立体编织结构；并且，每一根编织纱120在编织过程中都与其他编织纱120相交织，编织纱120的缠绕运行轨迹在立体空间编织系统中呈现波浪形。

并且，可选地，多个导电轴纱110并联，多个编织纱120的导电束121并联。

需要说明的是，本实施例的可发电编织件具有压缩回弹性,在压缩外力卸除后，本实施例的可发电编织件整体能够快速地恢复到初始状态。

关于本实施例的可发电编织件的电生成机理，结合图5、图6及图7，当受到外界压缩载荷作用时，编织纱120与导电轴纱110逐渐相互接触，由于编织纱120的介电层122与导电轴纱110之间的电势差异会产生电荷转移，编织纱120的导电束121与导电轴纱110之间会生成瞬时电流，当编织纱120与导电轴纱110被压缩至完全紧密接触时，没有转移电荷产生，也就不再有瞬时电流产生，当外界压缩载荷逐渐卸除时，编织纱120与导电轴纱110逐渐相互分离，也会产生转移电荷，生成反向的瞬时电流；这样循环往复地压放本实施例的可发电编织件，将会产出连续不断的交流电信号。

相关地，本实施例的可发电编织件的电性能输出具有较高的压力灵敏性，可用于压力传感装置，进行各种应力传感监测；开路电压和短路电流与施加压力近似呈双线性关系，在临界压力之前，呈现斜率较大的线性关系，在临界压力之后，呈现斜率较小的线性关系。

关于本实施例的可发电编织件的电荷输出性能影响因素，包括以下几个方面：

导电轴纱110和编织纱120的根数，随着导电轴纱110和编织纱120的根数的增加，导电轴纱110和编织纱120之间的接触分离运动的机会增多，电荷输出性能显著提高；在相同编织密度、外界载荷和测试面积下，以三维五向的编织件与二维三轴向的编织件作为比较例，由于三维五向的编织件的编织纱120和导电轴纱110的接触分离面积更多，三维五向的编织件比二维三轴向的编织件具有更高的电输出性能，比较结果请参阅图8；

编织角，随着编织角的增大，单位面积相互接触和分离的纱线增多，总电荷输出性能提高；编织角，即编织紧密程度，具体为导电轴纱110轴向方向与编织纱120倾斜方向的夹角θ，结合图9，该夹角越小，说明编织纱120倾斜程度越小，编织纱120之间的间隙越大，打纬越松弛，编织件越松垮，相反地，该夹角越大，说明编织纱120倾斜程度越大，编织纱120之间的间隙越小，打纬越紧密，编织件越紧实；

压缩程度，随着编织件压缩程度的增加，电荷输出性能提升，当压缩至最大程度时电量输出最大。

结合图4，作为一个可选实施例，导电束121包括多个导电纱线1211，多个导电纱线1211向同一方向延伸并相互交叉缠绕。

本实施例的导电束121由多根单股导电纱线1211交织而成，导电纱线1211的交织可在纱线编织缠绕机上完成。

并且，导电纱线1211的缠绕股数对编织纱120的电荷输出性能具有一定的影响，当导电纱线1211的股数较少时，随着股数的增加，编织纱120的电荷输出性能提高，但当股数达到一定程度时(约20股)，编织纱120的电荷输出性能达到饱和，即便再增加股数，编织纱120的电荷输出性能也不再继续提高。此外，随着导电纱线1211股数的增加，导电束121的拉伸载荷承受性能增加，拉伸强度增加，而拉伸位移减小，即伸长率降低。

在本实施例中，导电束121的材料为具有电正性的材料；导电纱线1211可由镀金属纱线、碳介质纱线、导电聚合物纱线或其他导线材料涂覆纱线等形成。

作为一个可选实施例，导电纱线1211包括多个向同一方向延伸的导电纤维，相邻导电纤维之间直接接触。

需要说明的是，导电纱线1211的缠绕速度对编织纱120的发电性能有所影响，缠绕速度越快，导电纱线1211越紧实，单位长度内导电纤维的面积越大，因而能够提高发电效率，但当缠绕速度增加到一定程度时(约5-7Hz)，编织纱120的电荷输出将达到饱和，不会再得到提高。

作为一个可选实施例，介电层122与导电束121直接接触，导电束121设置于介电层122的居中位置。

本实施例的导电束121设置于介电层122的居中位置，介电层122在导电束121的周向方向上均匀分布，也就是说，在导电束121的径向方向上介电层122的厚度均匀。

在本实施例中，介电层122的包覆厚度对于编织纱120的电荷输出性能具有重要影响，当包覆厚度较薄时，随着介电层122包覆厚度的增加，编织纱120的电荷输出性能提高，但当包覆厚度超过一定厚度时(约5-6mm)，编织纱120的电荷输出性能反而开始下降。

作为一个可选实施例，介电层122为空心管状结构，介电层122的外圈形状为圆形，导电轴纱110的外圈形状也为圆形。

本实施例的介电层122的外圈形状和导电轴纱110的外圈形状均为圆形，当受到外界压缩载荷作用时，介电层122与导电轴纱110发生形变并接触，二者的相接触面积大，能够提高整体的电荷输出性能。

可以理解，导电轴纱110的外圈形状也可近似为圆形，介电层122的外圈形状与导电轴纱110的外圈形状相匹配。

作为一个可选实施例，介电层122的内圈形状为圆形或多边形，导电束121的外圈形状为与介电层122的内圈形状相匹配的圆形或多边形。

本实施例的介电层122的内圈形状为圆形或多边形，优选地，该多边形为规则的多边形；导电束121的外圈形状与介电层122的内圈形状相匹配，且导电束121优选位于介电层122的居中位置。

需要说明的是，本实施例中，介电层122的内圈形状为圆形或多边形，指的是介电层122面向导电束121的表面的横截形状为圆形或多边形；相应地，导电束121的外圈形状为与介电层122的内圈形状相匹配的圆形或多边形，指的是导电束121面向介电层122的表面的横截形状为圆形或多边形。

作为一个可选实施例，导电轴纱110为线状结构。

本实施例的线状结构的导电轴纱110，一方面能够提高导电轴纱的导电性，另一方面能够提高自身的机械强度，避免导电轴纱110在使用过程中断裂。

作为一个可选实施例，导电轴纱110的材料为具有电正性的材料，介电层122的材料为具有电负性的材料。

本实施例的导电轴纱110的材料可为铜、铝、金等导电材料，可以理解，导电轴纱110也可采用导电束121制成；介电层122可为聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、硅橡胶、聚氯乙烯、聚氨酯、聚酰亚胺、聚甲基烯酸甲酯、聚丙烯、聚乙烯醇或环氧树脂等容易吸附电子的材料。

对于本实施例的可发电编织件的成型方式，进行以下说明：

编织纱120固定在机床的携纱器上，导电轴纱110固定在机床的挂钩上，携纱器可随推纱运动实现横向和纵向移动，而挂钩只能随推纱运动实现横向移动，在一个完整的编织循环过程中，编织纱120将随着携纱器的周期性运动而发生相对移动，而导电轴纱110在编织循环过程中位置不会发生变化，通过打纬运动，实现交织单元往编织件的顶端方向移动。

通过调节编织纱120和导电轴纱110的排列方式及运行轨迹，本实施例的可发电编织件的截面形状可改变，可以成型为多种复杂截面形状的三维立体结构，比如截面形状为矩形、正方形、圆形、圆环形、T形、L形和工字形等。

对于编织纱120和导电轴纱110的根数的确定，假设横排编织纱120的根数为m，竖列编织纱120线的根数为n，则编织纱120的总根数为m×n+m+n，导电轴纱110的总根数根据编织纱120的根数确定，为m×n。

整体上，本实施例的可发电编织件的能量转化效率高，电输出性能高，具电输出稳定，能够长期、稳定地进行发电，同时，具有良好的压缩回弹性，当外界压缩载荷卸除后，能够迅速恢复到初始状态，此外，具有较好的机可洗性，以及具有一定的可裁剪性，适于制备可穿戴物品或日常生活物品，以收集人类乃至动物的运动机械能，也适于应用于压力传感领域，具有进行推广应用的价值。

本发明实施例还提供一种智能鞋底，包括上述实施例的可发电编织件100。

请参阅图10及图11，本实施例的智能鞋底包括上述实施例的可发电编织件100以及外部封装层200，外部封装层200将可发电编织件100包裹在其内部；在行走过程中，对可发电编织件100重复性地压缩及释放，使得编织纱120与导电轴纱110进行周期性地接触和分离，从而产生电输出，实现采集行走过程中的能量并转化为电能；外部封装层200满足了日常脚踏使用需求，同时能够防止可发电编织件100直接与地面接触，保护可发电编织件100免受污染或损坏。

本实施例的智能鞋底，可为使用者随身携带的电子设备充电；可用于实时采集和记录行走步数、路程、速度、甚至消耗能量；亦可结合无线信号发射装置，用于紧急状态下发射求救信号。

本发明实施例还提供一种智能地毯，包括上述实施例的可发电编织件100。

请参阅图12，本实施例的智能地毯包括上述实施例的可发电编织件100，还可包括普通编织物300，二者按一定的规律排列，如交叉间隔排列，并可通过普通缝纫纱线相缝合。

可选地，每块可发电编织件100与普通编织物300的面积大小相同，均以人体脚底平均尺寸大小为基准；当来访者经过本实施例的智能地毯时，可发电编织件100产生相应的电信号，依据电信号产生的位置和时间，可以分析得到来访者行走的路径，从而可设置路径密码，进而可进行身份识别、入侵警报和安全防护。

本领域内的技术人员应明白，以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此。

显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种可发电编织件，其特征在于，包括多个沿第一方向设置的导电轴纱，及穿插设置于多个导电轴纱之间并沿导电轴纱的轴向延伸的多个编织纱，所述多个编织纱与所述多个导电轴纱共同构成平面或立体结构，每一根编织纱在编织过程中都与其他编织纱相交织，其中，所述编织纱包括导电束及包覆导电束的介电层；

当受到外力作用时，所述导电轴纱及所述编织纱发生形变，所述导电轴纱与其周围的多个编织纱的介电层发生接触，在接触和分离的过程中，所述导电轴纱与所述多个编织纱的导电束之间产生电输出。

2.根据权利要求1所述的可发电编织件，其特征在于，所述导电束包括多个导电纱线，所述多个导电纱线向同一方向延伸并相互交叉缠绕。

3.根据权利要求2所述的可发电编织件，其特征在于，所述导电纱线包括多个向同一方向延伸的导电纤维，相邻所述导电纤维之间直接接触。

4.根据权利要求1所述的可发电编织件，其特征在于，所述介电层与所述导电束直接接触，所述导电束设置于所述介电层的居中位置。

5.根据权利要求1所述的可发电编织件，其特征在于，所述介电层为空心管状结构，所述介电层的外圈形状为圆形，所述导电轴纱的外圈形状也为圆形。

6.根据权利要求1或5所述的可发电编织件，其特征在于，所述介电层的内圈形状为圆形或多边形，所述导电束的外圈形状为与所述介电层的内圈形状相匹配的圆形或多边形。

7.根据权利要求1所述的可发电编织件，其特征在于，所述导电轴纱为线状结构。

8.根据权利要求1所述的可发电编织件，其特征在于，所述导电轴纱的材料为具有电正性的材料，所述介电层的材料为具有电负性的材料。

9.一种智能鞋底，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的可发电编织件。

10.一种智能地毯，其特征在于，包括如权利要求1至8任一项所述的可发电编织件。

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