CN111224578B - 用于产生电力的柔性发电机 - Google Patents
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Abstract
本公开提供了一种柔性发电机及其制造方法。柔性发电机包括覆盖柔性压电发电机的电极层的柔性摩擦电层，该柔性摩擦电层通过组合压电效应和摩擦电效应来提高发电性能。由于柔性摩擦电层的存在，柔性发电机在弯曲下的可靠性也得到改善。公开的柔性发电机的制造方法简单，从而能够进行大规模制造。
Description
本申请是申请号为201911171407.X、申请日为2019年11月26日、发明名称为“用于产生电力的柔性发电机”的发明专利申请的分案申请。
技术领域
本公开总体上涉及发电机，更具体地，涉及柔性发电机及其制造方法。
背景技术
近来，使用压电材料的柔性发电机已被广泛研究，旨在用作力学传感器或能量收集器。力学敏感度、产生的输出功率、器件寿命和大规模制造是主要问题。柔性压电发电机是可穿戴电子设备的理想候选。
商业的基于柔性PVDF的薄膜已被用作高端产品中的力学传感器，但成本非常高。此外，由于其低的压电系数，PVDF难以用作能量收集器。
通过纳米结构修饰的压电发电机具有良好的能量收集能力，但复杂的制造过程和较差的可靠性无法轻松应用于工业生产。
US8803406B2公开了一种柔性纳米复合材料发电机，其包括：由柔性基质形成的压电层，所述柔性基质包含压电纳米颗粒和碳纳米结构；以及电极层，该电极层设置在压电层的两侧的上表面和下表面上，提供了制造大面积且较薄的柔性发电机的可能性。但是，由于弯曲过程中电极层的剥离，因此产生的电力非常有限，而且可靠性差。
因此，需要一种柔性发电机来消除或至少减少上述缺点和问题。
发明内容
本文提供一种发电机，包括：压电发电机，包括：柔性压电层，其用于在所述发电机与第一表面接触对象之间的接触下通过压电效应产生第一电力；第一柔性介电层，其部分或完全覆盖柔性压电层的顶表面；第二柔性介电层，其部分或完全覆盖柔性压电层的底表面；第一柔性电极层，其包括部分或完全覆盖第一柔性介电层的顶表面的第一覆盖部分；以及第二柔性电极层，其包括部分或完全覆盖第二柔性介电层的底表面的第二覆盖部分；以及第一柔性摩擦电层，其部分或完全覆盖第一柔性电极层的第一覆盖部分的顶表面，以在第一柔性摩擦电层与第一表面接触对象之间的接触和分离下通过摩擦电效应产生第二电力。
在某些实施例中，发电机还包括第二柔性摩擦电层，该第二柔性摩擦电层部分地或完全覆盖第二柔性电极层的第二覆盖部分的底表面，以在第二柔性摩擦电层和第二表面接触对象之间的接触和分离下通过摩擦电效应产生第三电力。
在某些实施例中，第一柔性摩擦电层具有负电负性。
在某些实施例中，第一柔性摩擦电层具有在-1nC/J和-200nC/J之间的电荷亲和力值。
在某些实施例中，第一柔性摩擦电层包括聚合物、静电纺织品或纤维素基材料。
在某些实施方案中，聚合物是硅橡胶、聚酰亚胺、聚氨酯、橡胶、聚酯或尼龙，静电纺织品是静电织物或静电布，纤维素基材料是纸。
在某些实施例中，第一柔性摩擦电层是多孔的。
在某些实施方案中，多孔的第一柔性摩擦电层的孔隙率在10％和80％之间，多孔的第一柔性摩擦电层的每个孔的直径在0.1μm和100μm之间。
在某些实施例中，发电机还包括部分柔性电极，该部分柔性电极部分地覆盖第一柔性摩擦电层的顶表面。
在某些实施例中，部分柔性电极覆盖第一柔性摩擦电层的顶表面的总面积的1％和50％之间的面积。
在某些实施例中，发电机还包括立体结构的封装层，该立体结构的封装层包括一个或多个凹形柔性电极，每个凹形柔性电极部分地覆盖第一柔性摩擦电层的顶表面，使得架空层存在于凹形柔性电极和第一柔性摩擦电层之间。
在某些实施例中，架空层的高度在0.3mm和5.0mm之间。
在某些实施例中，立体结构的封装层还包括覆盖一个或多个凹形柔性电极的顶表面的聚合物层。
在某些实施例中，柔性压电层由聚合物基质、无机压电材料和导电材料共同组成。
在某些实施例中，第一柔性介电层和第二柔性介电层中的每个包括硅橡胶。
在某些实施例中，第一柔性电极层还包括第一突出部分，该第一突出部分从第一柔性介电层的顶表面突出以向负载提供第一欧姆接触，并且第二柔性电极层还包括第二突出部分，该第二突出部分从第二柔性介电层的底表面突出以向负载提供第二欧姆接触。
在某些实施例中，第一柔性电极层和第二柔性电极层中的每一个包括导电织物、导电海绵、金属箔或金属网。
在此提供一种用于产生电力的系统，该系统包括：上述发电机；以及用于接触发电机以产生电力的表面接触对象。
在某些实施例中，第一柔性摩擦电层具有负电负性，表面接触对象具有正电负性。
在某些实施例中，第一柔性摩擦电层具有在-1nC/J和-200nC/J之间的电荷亲和力值，并且表面接触对象具有在+3nC/J和+60nC/J之间的电荷亲和力值。
根据以下对附图的简要描述、附图、某些实施例的详细描述和所附权利要求，本公开的这些和其他方面、特征和优点将变得更加显而易见。
附图说明
附图包含某些实施例的图，以进一步示出和阐明本发明的上述和其他方面、优点和特征。将理解的是，这些附图描绘了本发明的实施例，并且不意图限制其范围。通过使用附图，将用附加的特性和细节来描述和解释本发明，其中：
图1是示出根据某些实施例的发电机的横截面的示意图；
图2A是示出根据某些实施例的具有一对柔性摩擦电层的发电机的横截面的示意图；
图2B是示出图2A的发电机的第一柔性电极层和第二柔性电极层的俯视图的示意图；
图2C是示出图2A的发电机的俯视图的示意图；
图3A是示出根据某些实施例的具有部分柔性电极的发电机的横截面的示意图；
图3B是示出图3A的发电机的俯视图的示意图；
图4A是示出根据某些实施例的具有多孔柔性摩擦电层的发电机的横截面的示意图；
图4B是根据某些实施例的发电机的多孔PDMS层的光学显微镜图像；
图5是示出根据某些实施例的具有立体结构的封装层的发电机的横截面的示意图；
图6是示出根据某些实施例的柔性压电层的横截面的示意图；
图7是示出根据某些实施例的具有硅橡胶层的柔性发电机的横截面的示意图；
图8是示出根据某些实施例的用于制造发电机的制造方法的流程图；
图9是示出根据某些实施例的压电层的极化过程的示意图；
图10A是示出根据某些实施例的具有和不具有摩擦电层的柔性发电机的产生电流的图；
图10B是示出具有和不具有摩擦电层的柔性发电机的产生的电压的图；以及
图11是示出根据某些实施例的在不同弯曲循环下的柔性发电机的所产生的电压和电流的衰减曲线的图。
具体实施方式
本公开公开了一种用于发电的发电机。发电机利用压电效应和摩擦电效应，通过施加的机械力和接触摩擦起电而产生电压和电流。发电机包括覆盖压电发电机的电极以引起附加的摩擦电效应的摩擦电层。发电机可用于力学传感或能量收集。通过使用本发明的发电机，可以在宽的力学传感范围(例如，从0.01N到5000N)下提高力灵敏度，并且与没有摩擦电层的传统的压电发电机相比，所产生的电力可以增加例如至少五倍。
图1是示出根据某些实施例的发电机的横截面的示意图。发电机100包括压电发电机110和柔性摩擦电层120。压电发电机110包括柔性压电层111、第一柔性介电层112、第二柔性介电层113、第一柔性电极层114和第二柔性电极层115。柔性压电层111通过在发电机100与表面接触对象130之间的接触下的压电效应产生第一电力。第一柔性介电层112覆盖柔性压电层111的顶表面。第二柔性介电层113覆盖柔性压电层111的底表面。第一柔性介电层112和第二柔性介电层113提供柔性压电层111的电极化，以实现压电效应。第一柔性电极层114覆盖第一柔性介电层112的顶表面。第二柔性电极层115覆盖第二柔性介电层113的底表面。柔性摩擦电层120覆盖第一柔性电极层114的顶表面，以用于在柔性摩擦电层120与表面接触对象130之间的接触和分离下通过摩擦电效应产生第二电力。第一柔性电极层114和第二柔性电极层115中的由柔性压电层111和柔性摩擦电层120产生的电荷通过电线141传递到负载140。
在某些实施例中，柔性摩擦电层具有与表面接触对象相反的电负性。柔性摩擦电层的材料在与表面接触对象发生摩擦接触之后变为带电。表面接触对象可以是人类的具有正电负性的裸露皮肤、金属工具、塑料球或水滴。
在某些实施例中，第一柔性摩擦电层具有负电负性。
在某些实施例中，柔性摩擦电层具有在-1nC/J和-200nC/J之间的电荷亲和力值。
在某些实施例中，柔性摩擦电层包括聚合物、静电纺织品或纤维素基材料。聚合物可以是硅橡胶、聚酰亚胺、聚氨酯、橡胶、聚酯或尼龙。静电织物可以是静电织物或静电布。纤维素基材料可以是纸。
在某些实施例中，柔性摩擦电层的厚度在30μm和200μm之间、在60μm和170μm之间、或在90μm和140μm之间。
在某些实施例中，柔性压电层包括无机压电陶瓷粉末和/或有机压电材料、导电材料和聚合物基质。无机压电陶瓷粉末和有机压电材料通过压电效应产生电力。导电材料在柔性压电层内提供导电路径。聚合物基质提供柔性压电层的柔性。
在某些实施方案中，无机压电陶瓷粉末包括钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸钾、钨酸钠、氧化锌(例如，具有纤锌矿结构的氧化锌)、铁酸铋或钛酸铋。可以将无机压电陶瓷粉末煅烧以进行初步结晶。
在某些实施方案中，无机压电陶瓷粉末的颗粒尺寸在10nm和5μm之间。
在某些实施方案中，无机压电陶瓷粉末与总复合物的重量比在10％和70％之间。
在某些实施方案中，有机压电材料是聚偏二氟乙烯(PVDF)基纤维。在某些实施方案中，有机压电材料与总复合物的重量比在1％和30％之间。
在某些实施方案中，导电材料是碳基材料(例如，单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、石墨烯或石墨)或金属材料(例如，银纳米线)。
在某些实施方案中，导电材料与总复合物的重量比在0.3％和10％之间。
在某些实施方案中，聚合物基质是固态弹性体。
在某些实施方案中，聚合物基质是硅橡胶。硅橡胶的硬度范围从邵氏A 5度到邵氏A 50度。硅橡胶可以是透明的或半透明的或不透明的。
在某些实施方案中，聚合物基质与总复合物的重量比在30％和90％之间。
在某些实施方案中，经由超声分散、机械搅拌或真空混合器将聚合物基质、无机压电陶瓷粉末和/或有机压电纤维以及导电材料混合以形成均匀的浆料。如果需要，可以使用稀释剂(例如甲醇、乙醇、异丙醇、己烷、甲苯或二甲苯)来降低浆料的粘度。浆料可以被固化以形成柔性压电层。
在某些实施例中，柔性压电层的厚度在10μm和200μm之间。
在某些实施例中，第一柔性介电层和第二柔性介电层分别部分地覆盖柔性压电层的顶表面和底表面。
在某些实施例中，第一柔性介电层和第二柔性介电层分别完全覆盖柔性压电层的顶表面和底表面。这可以帮助避免极化过程中的电击穿。
在某些实施例中，第一柔性介电层和第二柔性介电层中的每一个包括聚合物。聚合物可以是硅橡胶(例如，PDMS)。
在某些实施例中，第一柔性介电层和第二柔性介电层中的每个具有在10μm至100μm之间的厚度。
在某些实施例中，第一柔性电极层和第二柔性电极层分别部分地覆盖第一柔性介电层的顶表面和第二柔性介电层的底表面。
在某些实施例中，第一柔性电极层和第二柔性电极层分别完全覆盖第一柔性介电层的顶表面和第二柔性介电层的底表面。这可以增强电力的产生。
在某些实施例中，第一柔性电极层和第二柔性电极层中的每一个包括导电织物、导电海绵、金属箔或金属网。导电织物可以是沉积有镍和铜的聚酯纤维，沉积有镍和铜的聚酯网或银织物。导电海绵可以是沉积有镍和铜的聚酯海绵。金属箔可以是铝箔、铜箔或不锈钢箔。
在某些实施例中，第一柔性电极层和第二柔性电极层中的每一个具有在1μm和200μm之间的厚度。
在某些实施例中，柔性摩擦电层部分覆盖第一柔性电极层的顶表面。
在某些实施例中，柔性摩擦电层完全覆盖第一柔性电极层的顶表面。这可以增强电力的产生。
在某些实施例中，发电机的表面积在0.16cm2和1000cm2之间，最小厚度为约60μm。发电机可以以非常小的半径弯曲，例如小于1cm。
图2A是示出根据某些实施例的具有一对柔性摩擦电层的发电机的横截面的示意图。发电机200包括压电发电机210、第一柔性摩擦电层221和第二柔性摩擦电层222。压电发电机210包括柔性压电层211、第一柔性介电层212、第二柔性介电层213、第一柔性电极层214和第二柔性电极层215。第一柔性介电层212覆盖柔性压电层211的顶表面。第二柔性介电层213覆盖柔性压电层211的底表面。第一柔性电极层214包括第一覆盖部分2141和第一突出部分2142(也在图2B和2C中示出)。第一覆盖部分2141覆盖第一柔性介电层212的顶表面，并且第一突出部分2142从第一柔性介电层212的顶表面突出，以用于向负载提供第一欧姆接触。第二柔性电极层215包括第二覆盖部分2151和第二突出部分2152(也在图2B和2C中示出)。第二覆盖部分2151覆盖第二柔性介电层213的底表面，并且第二突出部分2152从第二柔性介电层213的底表面突出以向负载提供第二欧姆接触。第一柔性摩擦电层221覆盖第一覆盖部分2141的顶表面。第二柔性摩擦电层222覆盖第二覆盖部分2151的底表面。因为发电机200的两侧分别具有第一柔性摩擦电层221和第二柔性摩擦电层222，发电机200可以通过两侧上的摩擦电效应产生电力，从而增强了电力的产生。
图3A是示出根据某些实施例的具有部分柔性电极的发电机的横截面的示意图。除了发电机300还包括部分柔性电极310之外，发电机300与图2A的发电机200基本相似。部分柔性电极310部分地覆盖第一柔性摩擦电层221的顶表面并且与第一柔性电极层214形成欧姆接触，如图3B中所示。部分柔性电极310可以提高收集和导出经由摩擦电效应产生的电力的效率。
在某些实施例中，部分柔性电极是导电织物、导电海绵、金属箔或金属网。
在某些实施例中，部分柔性电极覆盖第一柔性摩擦电层的顶表面的总面积的1％和50％之间的面积。
图4A是示出根据某些实施例的具有多孔柔性摩擦电层的发电机的横截面的示意图。除了将第一柔性摩擦电层221替换为多孔柔性摩擦电层410之外，发电机400基本上类似于图2A的发电机200。多孔柔性摩擦电层410在层410内包括多个孔420，其可以增强摩擦电效应以产生更多的电力。
在某些实施例中，多孔柔性摩擦电层的孔隙率在10％和80％之间。在某些实施例中，多孔柔性摩擦电层的每个孔的直径在0.1μm和100μm之间。
在某些实施例中，多孔柔性摩擦电层的厚度在80μm和200μm之间。
在某些实施方案中，通过将发泡剂添加到聚合物膜前驱体中来获得多孔柔性摩擦电层。发泡剂可以是N-(3-三乙氧基甲硅烷基丙基)乙二胺、(3-缩水甘油氧基丙基)三乙氧基硅烷、3-[2-(2-氨基乙基氨基)乙基氨基]丙基三甲氧基硅烷、苯基三乙氧基硅烷或甲基丙烯酸甲酯。
图4B是根据某些实施例的多孔硅橡胶层的光学显微镜图像。通过在有机硅中添加苯基三乙氧基硅烷从而产生直径约为100μm的气泡来制备多孔有机硅层。
图5是示出根据某些实施例的具有立体结构的封装层的发电机的横截面的示意图。除了发电机500还包括立体结构的封装层510之外，发电机500与图2A的发电机200基本相似。立体结构的封装层510包括多个柔性凹形电极511和柔性聚合物层512。每个柔性凹形电极511具有凹形结构并且部分地覆盖第一柔性摩擦电层221的顶表面，使得在凹形柔性电极和第一柔性摩擦电层221的顶表面之间存在架空层513。柔性凹形电极511与第一柔性电极层214形成欧姆接触。柔性聚合物层512覆盖柔性凹形电极511的顶表面，并且使得柔性凹形电极511保持凹形形状。柔性聚合物层512可以在弯曲期间为柔性凹形电极511提供机械支撑。
在按压以弯曲立体结构的封装层510时，摩擦电效应还来自于第一柔性摩擦电层221的顶表面与柔性凹形电极511的底表面在架空层513内的接触和分离。即使使用具有零或弱的电负性并且产生很小或甚至不产生摩擦电效应的表面接触对象(例如，手套或袜子)，立体结构的封装层510仍使发电机500保持发电。
在某些实施例中，第一柔性摩擦电层和柔性凹形电极具有相反的电负性。在某些实施例中，第一柔性摩擦电层具有负电负性，而柔性凹形电极具有正电负性。在某些实施例中，第一柔性摩擦电层具有正电负性，而柔性凹形电极具有负电负性。
在某些实施例中，柔性凹形电极包括导电织物、导电海绵、金属箔或金属网。
在某些实施例中，凹入结构是拱形。拱形的宽度在1.5cm至4.5cm的范围内。拱形的高度取决于所施加的力，而较低的高度则有利于较小的力。拱形的高度在0.3mm至5.0mm的范围内。当在拱形上施加力时，在拱形上发生弹性变形，从而导致柔性摩擦电层的顶表面与柔性凹形电极的底表面之间的接触和分离以产生电力。
在某些实施例中，聚合物层包括硅橡胶、聚酰亚胺、聚氨酯、橡胶、聚酯或尼龙。在某些实施方案中，聚合物层的厚度在500μm至2000μm的范围内。
图6是示出根据某些实施例的柔性压电层的横截面的示意图。柔性压电层600包括聚合物基质610、无机压电陶瓷粉末620和导电材料630。
图7是示出根据某些实施例的具有硅橡胶层的柔性发电机的横截面的示意图。柔性发电机700包括具有多个层的层堆叠710。从底到顶依次堆叠各层：硅橡胶层711、导电织物层712、硅橡胶层713、锆钛酸铅(PZT)/硅橡胶/碳纳米管(CNT)复合层714、硅橡胶层715、导电织物层716和硅橡胶层717。
图8是示出根据某些实施例的用于制造发电机的制造方法的流程图。在步骤S81中，将第一柔性介电层涂覆在第一柔性电极层上以形成第一层堆叠并且固化第一层堆叠。在步骤S82中，将柔性压电层涂覆在第一柔性介电层上以形成第二堆叠，并且固化第二层堆叠。在步骤S83中，在柔性压电层上涂覆第二柔性介电层以形成第三层堆叠，并且固化第三层堆叠。在步骤S84中，将第二柔性电极层附接在第二柔性介电层上以形成第四层堆叠，并且固化第四层堆叠。在步骤S85中，第四层堆叠被切割并极化以形成压电发电机。在步骤S86中，用第一柔性摩擦电层和第二柔性摩擦电层封装压电发电机。
图9是描绘根据某些实施例的压电层的极化过程的示意图。压电发电机910包括柔性压电层911、第一柔性介电层912、第二柔性介电层913、第一柔性电极层914和第二柔性电极层915。第一柔性电极层914和第二柔性电极层915电连接到直流(DC)电源920，以产生直流电压。通过将直流电压施加到压电发电机910，柔性压电层911被极化。
本公开还提供一种用于产生电力的系统。该系统包括上述发电机和用于接触发电机以产生电力的表面接触对象。
在某些实施例中，柔性摩擦电层具有负电负性，并且表面接触对象具有正电负性。在某些实施例中，柔性摩擦电层具有正电负性，并且表面接触对象具有负电负性。
在某些实施例中，柔性摩擦电层具有在-1nC/J和-200nC/J之间的电荷亲和力值。在某些实施例中，表面接触对象具有在+3nC/J和+60nC/J之间的电荷亲和力值。
在某些实施例中，表面接触对象是金属工具、塑料球或水滴。
示例1
如下制备柔性发电机。柔性发电机包括柔性压电发电机和两个摩擦电层。柔性压电发电机包括压电复合层、两个介电层和两个电极层。压电复合层的材料包括邵氏硬度A为20度的PDMS(PDMS组分A(即，基础弹性体)与PDMS组分B(即，固化剂)的重量比为1:1)、1150℃煅烧的锆钛酸铅粉末(颗粒尺寸范围为100nm至1μm)、以及多壁碳纳米管。锆钛酸铅与总复合物的重量比为50％。多壁碳纳米管与总复合物的重量比为0.5％。压电复合层的厚度为100μm。压电复合层的边长为5cm。
两个介电层的材料是PDMS，邵氏硬度A为20度。两个介电层的厚度为100μm。两个介电层分别完全覆盖压电复合层。两个电极层的材料是导电织物。导电织物由沉积有镍和铜的聚酯纤维制成。导电织物单面涂有导电丙烯酸胶膜，导电织物和胶膜的总厚度为30μm。将导电织物涂有导电丙烯酸胶膜的一面粘接在介电层上。两个电极层的面电阻为0.02欧姆/平方。将压电发电机在干燥空气中极化，直流电压为3.0kV。极化温度为130℃。极化持续时间为20分钟。两个摩擦电层的材料是PDMS，邵氏硬度A为20度。两个摩擦电层的厚度为100μm。两个摩擦电层的边长为5cm。
通过用裸手轻敲柔性发电机，产生的瞬时均方根电流密度为0.5μA/cm2，并且产生的瞬时均方根电压密度为1.0V/cm2。
示例2
示例2的柔性发电机与示例1的柔性发电机基本相似，不同之处在于该柔性发电机还包括部分柔性电极。当表面接触对象是人的裸露皮肤时，可以添加局部柔性电极以提高发电性能。类似于图3A和3B，部分柔性电极位于摩擦电层的顶表面上，部分柔性电极的材料是导电织物。导电织物单面涂有导电丙烯酸胶膜，导电织物和胶膜的总厚度为30μm。将导电织物涂有导电丙烯酸胶膜的一面粘接在电极层顶部与电极层形成欧姆接触。部分柔性电极的目的是由于人的裸露皮肤与摩擦电层的顶表面之间的快速表面接触和分离，从而有效地收集和导出通过摩擦电效应产生的电力。
在该示例中，部分柔性电极的材料是由沉积有镍和铜的聚酯纤维制成的导电织物。当使用裸手快速敲击柔性发电机时，产生的瞬时均方根电流密度为0.9μA/cm2，并且产生的瞬时均方根电压密度为1.6V/cm2。这表明，在存在部分柔性电极的情况下，所产生的电力显著增加。
示例3
示例3的柔性发电机与示例1的柔性发电机基本相似，除了两个摩擦电层之一被多孔的柔性摩擦电层代替。为了形成多孔柔性摩擦电层，将发泡剂，重量比为2％的苯基三乙氧基硅烷混合到硅橡胶前驱体中。在100℃下固化20分钟后，会形成多孔结构。产生的气泡的平均直径为100μm。多孔摩擦电层的厚度为150μm。多孔摩擦电层的边长为5cm。
通过用裸手敲击柔性发电机，产生的瞬时均方根电流密度为0.9μA/cm2，并且产生的瞬时均方根电压密度为1.8V/cm2。这表明，通过使用多孔柔性摩擦电层，所产生的电力显著增加。
示例4
示例4的柔性发电机与示例1的柔性发电机基本相似，除了该柔性发电机还包括具有两个柔性凹形电极和聚合物层的立体结构的封装层。柔性凹形电极的材料是由沉积有镍和铜的聚酯纤维制成的导电织物。导电织物单面涂有导电丙烯酸胶膜，导电织物和胶膜的总厚度为30μm。柔性凹形电极使用导电丙烯酸胶膜固定于柔性聚合物层512且部分地覆盖摩擦电层以形成拱形结构。拱形结构的宽度为2.0cm，高度为1.0mm，长度为5.0cm。聚合物层的材料是具有邵氏硬度A20度的硅橡胶。聚合物层的厚度为1000μm。具有两个拱形结构的聚合物层附接到柔性凹形电极的顶侧。
通过使用戴有尼龙手套的手轻敲柔性发电机，产生的瞬时均方根电流密度为0.4μA/cm2，并且产生的瞬时均方根电压密度为0.6V/cm2。这证明了当表面接触对象的电负性为零时，发电机仍然起作用。
示例5
对具有和不具有摩擦电效应的柔性发电机进行了发电测试。柔性发电机如下制备。
由邵氏硬度A 20度的PDMS制成的第一柔性介电层被涂覆在由柔性导电织物制成的第一柔性电极层上。柔性导电织物的厚度为30μm。第一介电层的厚度为100μm。将上述湿膜在烘箱中在80℃下固化20分钟。在第一柔性介电层上涂覆柔性压电复合材料层以形成第二层堆叠，该压电复合材料层由10g PDMS A组分、10g PDMS B组分、20g 1150℃煅烧的PZT颗粒组成，其中多壁碳纳米管与PZT的重量比为0.1％至1.8％。PDMS的硬度为邵氏A 20度。压电复合层湿膜的厚度为100μm。湿膜在烘箱中在80℃下固化20分钟。通过邵氏硬度A 20度的PDMS制成的第二柔性介电层涂覆在柔性压电复合层上，第二介电层的厚度为100μm。湿膜在烘箱中在80℃下固化20分钟。通过导电丙烯酸胶膜将第二柔性导电织物粘接在第二柔性介电层的顶部。柔性导电织物的厚度为30μm。将堆叠的薄膜切成5cm的边长，然后在烘箱中以130℃在3KV直流电压下极化20分钟，以形成压电发电机。第一和第二柔性导电织物的突出部分通过导电丙烯酸胶膜分别将30μm厚度、0.8cm宽度和8.0cm长度的导电织物附接在每一个上而制成。用邵氏硬度A 20度的PDMS制成的第一柔性摩擦电层封装压电发电机。涂覆的PDMS的厚度为100μm。湿膜在烘箱中在80℃下固化20分钟。第二柔性摩擦电层由邵氏硬度A 20度的PDMS制成。涂覆的PDMS的厚度为100μm。湿膜在烘箱中在80℃下固化20分钟。由柔性导电织物制成的厚度为30μm、宽度为0.8cm、长度为8.0cm的部分柔性电极通过导电丙烯酸胶膜粘接在第一柔性摩擦电层的顶部。在部分柔性电极和第一柔性电极层之间形成欧姆接触。万用表的两个探针分别连接到第一和第二柔性电极层的突出部分，以测试所产生的电流和电压。去除部分柔性电极以及第一和第二柔性摩擦电层以再次测试所产生的电流和电压。
测量具有和不具有摩擦电层的柔性发电机的所产生的电压和电流。如图10A和10B所示，通过结合摩擦电效应，具有摩擦电层的柔性发电机的所产生的电流和电压增加了超过5倍。
示例6
对柔性发电机进行了弯曲下的可靠性测试。柔性发电机制备如下。
由具有邵氏硬度A 20的PDMS制成的第一柔性介电层被涂覆在由柔性导电织物制成的第一柔性电极层上。柔性导电织物的厚度为30μm。第一介电层的厚度为100μm。湿的薄膜在烘箱中在80℃下固化20分钟。在第一柔性介电层上涂覆柔性压电复合材料层以形成第二层堆叠，该压电复合材料层由10g PDMS A组分、10g PDMS B组分、20g 1150℃煅烧的PZT颗粒组成，其中多壁碳纳米管与PZT的重量比为0.1％至1.8％。PDMS的硬度为邵氏A 20度。压电复合层的湿膜的厚度为100μm。湿膜在烘箱中在80℃下固化20分钟。通过邵氏硬度A 20度的PDMS制成的第二柔性介电层涂覆在柔性压电复合层上，第二介电层的厚度为100μm。湿膜在烘箱中在80℃下固化20分钟。通过导电丙烯酸胶膜将第二柔性导电织物粘接在第二柔性介电层的顶部。柔性导电织物的厚度为30μm。将堆叠的薄膜切成5cm的边长，然后在烘箱中以130℃在3KV直流电压下极化20分钟，以形成压电发电机。第一和第二柔性导电织物的突出部分通过使用导电丙烯酸胶膜分别将30μm厚度、0.8cm宽度和8.0cm长度的导电织物粘接在每一个上而制成。用由邵氏硬度A 20度的PDMS制成的第一柔性摩擦电层封装压电发电机。涂覆的PDMS的厚度为100μm。湿膜在烘箱中在80℃下固化20分钟。第二柔性摩擦电层由邵氏硬度A 20度的PDMS制成。涂覆的PDMS的厚度为100μm。湿膜在烘箱中在80℃下固化20分钟。夹持堆叠的薄膜的两侧以进行弯曲测试。
将柔性发电机弯曲100000个循环。在不同的弯曲循环下测量柔性发电机的产生的电压和电流。如图11所示，在100000次弯曲循环之后，柔性发电机的产生的电流仅从10μA下降到7.2μA，具有72％的保持率，并且柔性发电机的产生的电压仅从21V下降到19V，具有90％的保持率。它证明了柔性发电机提供了弯曲下的高可靠性，并且柔性发电机的各层受到摩擦电层的良好保护，从而避免了堆叠层的剥离。
因此，可以看出，已经公开了改进的发电机，该发电机消除了或至少减少了与现有技术的设备和工艺相关的缺点和问题。根据某些实施例，柔性发电机包括覆盖柔性压电发电机的电极层的柔性摩擦电层，该柔性摩擦电层通过组合压电效应和摩擦电效应来提供更高的输出电力。由于柔性摩擦电层的存在，弯曲下的发电机的可靠性也得到改善。本文所公开的柔性发电机的制造方法简单，从而能够进行大规模制造。
本公开的发电机可以用作电源或力学传感器。特别地，由于其优异的柔韧性和可靠性，本公开的发电机可用于可穿戴电子设备中，例如，将它们集成到用于驱动可穿戴电子设备的织物或衣服中。
尽管已经根据某些实施例描述了本发明，但是对于本领域普通技术人员显而易见的其他实施例也在本发明的范围内。因此，本发明的范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (19)
1.一种发电机，包括：
压电发电机，包括：
柔性压电层，所述柔性压电层用于在发电机与第一表面接触对象和/或第二表面接触对象之间的接触下通过压电效应产生第一电力；
第一柔性介电层，所述第一柔性介电层具有部分或完全覆盖柔性压电层的顶表面的底表面；
第二柔性介电层，所述第二柔性介电层具有部分或完全覆盖柔性压电层的底表面的顶表面；
第一柔性电极层，所述第一柔性电极层包括第一覆盖部分，该第一覆盖部分具有部分或完全覆盖第一柔性介电层的顶表面的底表面；和
第二柔性电极层，所述第二柔性电极层包括第二覆盖部分，该第二覆盖部分具有部分或完全覆盖第二柔性介电层的底表面的顶表面；
第一柔性摩擦电层，所述第一柔性摩擦电层具有部分或完全覆盖第一柔性电极层的第一覆盖部分的顶表面的底表面，以在第一柔性摩擦电层的顶表面与第一表面接触对象之间的接触和分离下通过摩擦电效应产生第二电力；以及
第二柔性摩擦电层，所述第二柔性摩擦电层具有部分或完全覆盖所述第二柔性电极层的所述第二覆盖部分的底表面的顶表面，以在所述第二柔性摩擦电层的底表面与第二表面接触对象之间的接触和分离下通过摩擦电效应产生第三电力。
2.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述第一柔性摩擦电层和所述第二柔性摩擦电层具有负电负性。
3.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述第一柔性摩擦电层和所述第二柔性摩擦电层具有在-1nC/J和-200nC/J之间的电荷亲和力值。
4.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述第一柔性摩擦电层和所述第二柔性摩擦电层中的每一个包括聚合物、静电纺织品或纤维素基材料。
5.根据权利要求4所述的发电机，其中，所述聚合物是硅橡胶、聚酰亚胺、聚氨酯、橡胶、聚酯或尼龙，所述静电纺织品是静电织物或静电布，所述纤维素基材料是纸。
6.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述第一柔性摩擦电层和所述第二柔性摩擦电层是多孔的。
7.根据权利要求6所述的发电机，其中，所述第一柔性摩擦电层的孔隙率在10％和80％之间，所述第一柔性摩擦电层的每个孔的直径在0.1μm和100μm之间。
8.根据权利要求1所述的发电机，还包括部分柔性电极，所述部分柔性电极部分地覆盖所述第一柔性摩擦电层的顶表面。
9.根据权利要求8所述的发电机，其中，所述部分柔性电极覆盖所述第一柔性摩擦电层的顶表面的总面积的1％和50％之间的面积。
10.根据权利要求1所述的发电机，还包括立体结构的封装层，所述立体结构的封装层包括一个或多个凹形柔性电极，所述一个或多个凹形柔性电极中的每一个部分地覆盖所述第一柔性摩擦电层的顶表面，使得架空层存在于所述一个或多个凹形柔性电极中的每一个与第一柔性摩擦电层之间。
11.根据权利要求10所述的发电机，其中，所述架空层的高度在0.3mm和5.0mm之间。
12.根据权利要求10所述的发电机，其中，所述立体结构的封装层还包括覆盖所述一个或多个凹形柔性电极中的每一个的顶表面的聚合物层。
13.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述柔性压电层包括聚合物基质、无机压电材料和导电材料。
14.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述第一柔性介电层和所述第二柔性介电层中的每一个包括硅橡胶。
15.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述第一柔性电极层还包括从所述第一柔性介电层的顶表面突出以向负载提供第一欧姆接触的第一突出部分，所述第二柔性电极层还包括从第二柔性介电层的底表面突出以向负载提供第二欧姆接触的第二突出部分。
16.根据权利要求1所述的发电机，其中，所述第一柔性电极层和所述第二柔性电极层中的每一个包括导电织物、导电海绵、金属箔或金属网。
17.一种用于产生电力的系统，包括：
根据权利要求1所述的发电机；和
用于接触所述发电机以产生电力的一个或多个表面接触对象。
18.根据权利要求17所述的系统，其中，所述第一柔性摩擦电层和所述第二柔性摩擦电层具有负电负性，所述一个或多个表面接触对象具有正电负性。
19.根据权利要求17所述的系统，其中，所述第一柔性摩擦电层和所述第二柔性摩擦电层具有在-1nC/J和-200nC/J之间的电荷亲和力值，所述一个或多个表面接触对象具有在+3nC/J和+60nC/J之间的电荷亲和力值。
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