CN111404417A - 一种介质层增强型摩擦纳米发电机 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种介质层增强型摩擦纳米发电机，包括在外力作用下发生接触/分离的正极性摩擦部分和负极性摩擦部分，所述正极性摩擦部分包括依次设有：第一摩擦层、第一介质层、第一摩擦层电极、第一衬底；负极性摩擦部分包括依次设有：第二摩擦层、第二介质层、第二摩擦层电极、第二衬底。本发明在电极和摩擦材料间加有效的介质层材料即可使摩擦纳米发电机输出有效提高。本发明旨在提升摩擦纳米发电机的电荷存储能力，减弱电荷耗散，属于纳米发电领域。
Description
技术领域
本发明属于纳米发电机领域，特别涉及一种介质层增强型摩擦纳米发电机。
背景技术
摩擦起电效应是日常生活中不可避免会经历的现象，利用摩擦起电和电荷耦合作用，2012年，王中林教授发明了摩擦纳米发电机(TENG)，可将机械能转化为电能，为新能源的收集提供了新思路。
TENG的产生包括电荷的产生、电荷的存储、电荷的耗散。通常，通过提高摩擦材料表面的电荷密度可有效的提高TENG的电能输出，但对电荷的存储、抑制电荷耗散的简单有效办法却较少报道。
通常具有较强接触起电现象的材料一般导电性差或是绝缘体，这些材料会捕获转移电荷，并保持相当长的一段时间，持续积累电荷，因此具有良好的绝缘性的介质层材料添加到TENG器件中可有效提高电荷的存储，减慢电荷的耗散；已有研究者选用聚甲基硅氧烷(PDMS)作为介质层，摩擦材料为聚偏氟乙烯(PVDF)和尼龙6，其TENG输出性能有一定的提高，因此研究不同介质层对TENG输出性能的影响，选择最优介质层来提高TENG输出性能是有必要的。
CN 108233761 A公开了含有电子接收层的摩擦纳米发电机及其制备方法，电子接收层的制备方法不简单通用外，其主要是通过电子接收层来增强摩擦纳米发电机的输出性能，而本发明简化了实验步骤，含有不同介质层即可有效不同程度的提高摩擦纳米发电机的输出性能；
CN 110132457 A公开了一种多功能传感的柔性传感器及其制备方法，除了制备传感器的过程繁琐复杂外，其中间微米级多孔介质层是用于检测施加压力后的电容变化，而在本发明中中间介质层置于摩擦材料与电极之间，是用于增强摩擦纳米发电机的输出性能。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供一种介质层增强型摩擦纳米发电机，使用常规材料通过简便的方法即可有效提高摩擦纳米发电机效率，本发明中摩擦纳米发电机包括：第一摩擦层和与第一摩擦层背部电极，第二摩擦层和与第二摩擦层背部电极，且在上下摩擦层和上下摩擦层背部电极之间有绝缘性良好的介质层材料，通过外力作用，第一摩擦层与第二摩擦层以接触-分离模式产生脉冲式电信号。
本发明的一种摩擦纳米发电机，包括在外力作用下发生接触/分离的正极性摩擦部分和负极性摩擦部分，所述正极性摩擦部分包括依次设有：第一摩擦层、第一介质层、第一摩擦层电极、第一衬底；负极性摩擦部分包括依次设有：第二摩擦层、第二介质层、第二摩擦层电极、第二衬底。
所述第一摩擦层、第二摩擦层材料为含有纳米结构的聚合物薄膜；介质层材料为绝缘性材料。
所述第一摩擦层材料可为聚羟基丁酸-戊酯(PHBV)、热塑性聚氨酯(TPU)、尼龙(PA)等正极性聚合物薄膜，第二摩擦层可为聚四氟乙烯(PTFE)、聚偏氟乙烯(PVDF)等负极性聚合物薄膜。
所述绝缘性材料为聚酰亚胺(PI)、聚甲醛(POM)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的一种或几种。
所述第一摩擦层电极和第二摩擦层电极可为铜电极、铝电极或导电布等。
进一步，所述第一摩擦层材料与所述第二摩擦材料存在摩擦电极序差，从而构成双电极结构。
进一步，所述介质层材料的作用相当于驻极体，可增强电荷的存储，减弱电荷的耗散。
进一步，不同介质层材料对摩擦性能的增强作用不等。
进一步，第一摩擦层材料与第二摩擦层材料组成双电极结构，接触-分离时产生电信号；第一介质层与第二介质层通过静电感应产生电荷。
进一步，通过垂直接触-分离模式，TENG器件的工作机制可以用等温表面电位衰减法(ISPD)进行深陷阱计算，深陷阱能级密度高的有利于电性能的输出。
所述第一摩擦层材料与第二摩擦层材料为垂直接触-分离模式。
所述第一摩擦层、第一摩擦层电极、第二摩擦层、第二摩擦层电极的厚度约为80～100μm,第一介质层、第二介质层的厚度约为30～80μm。
本发明提供一种所述摩擦纳米发电机的应用。
有益效果
(1)本发明操作简单，材料常规易得，通过简单的组合制备摩擦纳米发电机并用静电计测试相关电压、电流的脉冲信号即可证明该方法可增强TENG的输出。
(2)本发明为双电极结构，介质层的添加，极大地提高了发电效率；
(3)本发明采用简单便捷的方法，通过在摩擦层与电极之间增加电介质层材料的方法，增加了电荷的存储，减弱了电荷的耗散，从而使TENG的输出提高，本发明方法对有效提高摩擦电信号输出提供了新方法。
附图说明
图1为介质增强输出型摩擦纳米发电机总体结构示意图；
图2为有无介质层的摩擦纳米发电机的电压和电流的比较；其中(a)器件TPU-PTFE的电压输出波形；
(b)器件TPU-PTFE@PI的电压输出波形；(c)器件TPU-PTFE的电流输出波形；
(d)器件TPU-PTFE@PI的电流输出波形。
具体实施方式
下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。
实施例1
其中TPU粒料型号为1195A10004CNF3 310528，购于上海巴斯夫有限公司；PTFE薄膜购于宁波登帝氟材料有限公司，其余PI薄膜及PET薄膜等购于当地市场。
未添加介质层的#1器件的具体结构为：TPU纤维膜作为正极摩擦材料和PTFE薄膜作为负极摩擦材料组合而成的类书形结构；
添加介质层的#2器件的具体结构为：TPU纤维膜作为正极摩擦材料和PTFE薄膜作为负极摩擦材料，PI薄膜作为介质层，组合而成的类书形结构；
如图1中，第一摩擦材料使用正极材料TPU，制备方法为称取TPU粒料2g，将其溶解于18g N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，并在80℃下进行加热直至溶解均匀无气泡。然后将得到的纺丝溶液置于注射器中进行静电纺丝，纺丝电压为15kV，接收距离15cm，推进速率1ml/h，相对湿度为20％，即得到TPU静电纺纳米纤维膜；第二摩擦材料为负极材料PTFE，内部含多孔结构，衬底材料为PET，尺寸裁剪为9×6cm，正负极材料均裁剪为4.5×5cm；当无电介质层时，使用两块双面导电布作为电极对称贴于PET基底上，导电布上对称贴好PTFE和TPU，即为#1器件，记为TPU-PTFE；
当添加电介质层如PI时，裁剪大小约为5×5.5cm，同上将其置于导电布上，然后在PI上分别贴好PTFE和TPU，即为#2器件，记为TPU@PI-PTFE@PI；将两器件皆用自制碰撞机在2.7Hz时,使用静电计测量电压及电流信号。
如图2(a)、(b)所示，器件TPU-PTFE的最高电压输出为-600V,器件TPU@PI-PTFE@PI的最高电压输出为-1200V，表明当有PI电介质层时，#2器件的电压信号约为#1器件的2倍，如图2(c)、(d)所示，器件TPU-PTFE的最高电流输出为5μA,器件TPU@PI-PTFE@PI的电流输出为15μA，表明当有PI电介质层时，#2器件的电流信号约为#1器件的3倍，充分说明添加电介质层既简单，方便快捷，也为TENG电信号输出提供了新思路。
Claims (9)
1.一种摩擦纳米发电机，包括在外力作用下发生接触/分离的正极性摩擦部分和负极性摩擦部分，其特征在于，所述正极性摩擦部分包括依次设有：第一摩擦层、第一介质层、第一摩擦层电极、第一衬底；负极性摩擦部分包括依次设有：第二摩擦层、第二介质层、第二摩擦层电极、第二衬底。
2.根据权利要求1所述摩擦纳米发电机，其特征在于，所述正极与负极摩擦部分的第一衬底与第二衬底材料为同种材料，为聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、亚克力板、玻璃、硅橡胶中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层、第二摩擦层材料为含有纳米结构的聚合物薄膜；介质层材料为绝缘性材料。
4.根据权利要求3所述摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层材料为聚羟基丁酸-戊酯PHBV、热塑性聚氨酯TPU、尼龙PA中的一种或几种正极性聚合物薄膜，第二摩擦层为聚四氟乙烯PTFE、聚偏氟乙烯PVDF种的一种或几种负极性聚合物薄膜。
5.根据权利要求3所述摩擦纳米发电机，其特征在于，所述绝缘性材料为聚酰亚胺PI、聚甲醛POM、聚丙烯PP、聚乙烯PE、聚偏氟乙烯PVDF、聚四氟乙烯PTFE、聚乙烯丙烯共聚物FEP、聚二甲基硅氧烷PDMS中的一种或几种。
6.根据权利要求1所述摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层电极和第二摩擦层电极可为铜电极、铝电极或导电布。
7.根据权利要求1所述摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层材料与第二摩擦层材料为垂直接触-分离模式。
8.根据权利要求1所述摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一摩擦层、第一摩擦层电极、第二摩擦层、第二摩擦层电极的厚度为80～100μm；第一介质层、第二介质层的厚度为30～80μm。
9.一种权利要求1所述摩擦纳米发电机的应用。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20200710 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |