CN111633975B - 一种基于磁场诱导打印制备三维摩擦纳米发电机的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于磁场诱导打印制备三维摩擦纳米发电机的方法。该方法为：在下电极层上基于磁场诱导打印三维阵列的电负性摩擦层，将电正性摩擦层覆于上电极层上，电正性摩擦层与电负性摩擦层正相对高频往复挤压摩擦发电。本发明利用直接书写打印的磁性墨水在磁场作用诱导下变形获得三维阵列结构，以该结构为电负性摩擦层制备摩擦纳米发电机。本发明方法简单，快速，节约成本，可获得图案化三维阵列结构，可有效增大摩擦层接触面积和接触距离，提高电荷分离传输能力，增大了输出电压，进而提高摩擦纳米发电机的电能输出性能。

Description

一种基于磁场诱导打印制备三维摩擦纳米发电机的方法
技术领域
本发明属于纳米发电机技术领域，特别涉及一种基于磁场诱导打印制备三维摩擦纳米发电机的方法。
背景技术
随着电子科学技术的日益发展，人们对自供能微纳系统的需求日益增加。纳米发电器件作为一种可以将机械能转换为电能的能源转换器件因其能量来源丰富、成本低廉、可规模化生产等优点快速发展。其中，摩擦纳米发电器件利用摩擦生电效应，不同电子亲和性的材料接触时产生电荷转移，在两种材料分离时产生电势差，从而导致器件的外界电路中电子流动性成电流，从而实现能源转换。
因而，影响摩擦纳米发电机性能的关键因素是摩擦材料之间的接触面积和接触距离。为了提高器件的性能，科研工作者设计制备了不同结构的图案化摩擦层。通过制备不同形貌的表面，可以有效地提高摩擦生电性能。但传统的微纳加工方法，制备工艺复杂、价格昂贵，因而发展简单的方法制备图案化纳米发电器件具有重要意义。打印技术为制备复杂结构提供了有效的途径，通过该方法一步实现图案制备和三维结构的构建，对于发展高性能自供能器件具有重要价值。
因而，开发一种适用于制备方法简单、快速、节约成本的高性能摩擦电纳米发电机一直以来是研究的热点之一。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于磁场诱导打印制备三维摩擦纳米发电机的方法。本发明的基于磁场诱导打印制备的三维摩擦纳米发电机的工作模式为垂直分离接触式。其结构中的下电极层与基于磁性三维阵列的电负性摩擦层相互连接作为得电子部分，电正性摩擦层与上电极层相互连接作为失电子部分，得电子部分与失电子部分垂直接触造成电荷分离，输出电压。
本发明所述的基于磁场诱导打印制备三维摩擦纳米发电机的方法为：在下电极层上基于磁场诱导打印三维阵列的电负性摩擦层，将电正性摩擦层覆于上电极层上，电正性摩擦层与电负性摩擦层正相对高频往复挤压摩擦发电。
所述的基于磁场诱导打印制备三维摩擦纳米发电机的方法的具体步骤为：
(1)采用直接书写打印机按照图文信息将磁性墨水直接书写在下电极层上；
(2)在磁性墨水未干燥时，垂直于磁性墨水之上施加诱导磁场，磁性墨水收缩变形，形成三维锥形结构，最后高温固化定型得到电负性摩擦层；
(3)将电正性摩擦层覆于上电极层上，电正性摩擦层与电负性摩擦层正相对高频往复挤压摩擦发电。
所述的下电极层和上电极层均由导电层、或者导电层覆于支撑层上组成。所述导电层的材料选自金属、金属氧化物、碳材料中的一种或几种。所述的金属选自金、银、铜、铝中的一种或几种；所述的金属氧化物为氧化铟锡；所述的碳材料为石墨烯或碳纳米管；所述的支撑层的材料选自聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃中的一种或几种。
所述的电正性摩擦层的材料为易失电子材料，选自铝、丝绸、纸、乙基纤维素、醋酸纤维素、聚乙二醇、聚乙二醇丁二酸酯、聚乙二醇己二酸、聚苯二甲酸二烯丙酯、聚氨酯、聚甲醛、聚酰胺、三聚氰胺甲醛中的一种或几种。
所述步骤(1)中直接书写的条件为：将磁性墨水注入墨盒内，将下电极层固定在打印平台上，磁性墨水在10-140psi的空气压力下，以0.01-10mm s-1的速度打印。
所述的磁性墨水的配制方法为：将磁性材料、可固化预聚体和固化剂混合均匀即得磁性墨水。磁性墨水中磁性材料的质量分数为10-50％，可固化预聚体和固化剂的质量比例为10:1-5:1。
所述的磁性材料为磁流体、四氧化三铁纳米粒子、或三氧化二铁纳米粒子。所述的磁性材料的饱和磁矩为30-100emu/g，且不为100。
所述的可固化预聚体为硅橡胶预聚体、自交联型聚丙烯酸酯预聚体、聚氨酯预聚体、或自交联型环氧树脂预聚体。所述的可固化预聚体的黏附范围为500-1500mPa·s。
所述步骤(1)的图文信息均由点阵组成，两点之间间距为100-500μm。
所述的诱导磁场的磁场强度范围为100-350mT，磁场梯度范围为10-30mT/mm。所属的诱导磁场为铷铁硼磁铁产生的磁场、或通电线圈产生的磁场。
所述的固化温度为60-150℃，固化时间不少于10min。
本发明利用直接书写打印的磁性墨水在磁场作用诱导下变形获得三维阵列结构，以该结构为电负性摩擦层制备摩擦纳米发电机。本发明方法简单，快速，节约成本，可获得图案化三维阵列结构，可有效增大摩擦层接触面积和接触距离，提高电荷分离传输能力，增大了输出电压，进而提高摩擦纳米发电机的电能输出性能。
附图说明
图1本发明的基于磁场诱导打印制备三维摩擦纳米发电机的方法示意图。
图2实施例1中步骤(4)得到的三维阵列结构的电子显微镜顶视图。
图3实施例1中步骤(4)得到的三维阵列结构的电子显微镜60度斜视图。
图4实施例1制得的摩擦纳米发动机的输出电压图。
具体实施方式
以下结合具体实施例对本发明做进一步说明。
实施例1：
(1)利用真空沉积法制备金覆盖的聚对苯二甲酸乙二酯膜作为下电极层，将其面积剪裁为3cm*2cm。
(2)将油基磁流体(北京市神然磁性流体技术有限公司MF04号机油基液的磁流体)和聚二甲基硅氧烷预聚体、聚二甲基硅氧烷固化剂美国道康宁公司SYLGARD184聚二甲基硅氧烷固化剂混合，然后放于冰水浴中以转速800rpm搅拌0.5h混合均匀得到磁性墨水；墨水具体用量为2.59g油基磁流体、5.50g聚二甲基硅氧烷预聚体和0.55g聚二甲基硅氧烷固化剂。
(3)取3g墨水注入直接书写打印机(Nordson EFD公司2400多轴移动平台控制的Ultimus I气动流体点胶系统，美国)的墨盒内，选用直径为100μm的喷头；将下电极层固定在打印平台上，沉积金属的一面朝上，调整喷头直径高于下电极层表面10μm；使墨水在30psi的空气压力下，以0.02mm s-1的速度按照图文信息将墨水打印在下电极上，得到两点之间间距为200μm面积为2cm*2cm的点阵图案。
(4)将打印的点阵图案置于铷铁硼磁铁上，磁场强度为260mT，磁场梯度为2mT/mm，液滴被吸引后磁力作用下变形形成高度为127.8μm的三维结构，继而在120℃下固化30min固定形状得到电负性摩擦层。
(5)将两张铝片为电正性摩擦层及上电极层相贴合。
(6)将电正性摩擦层与电负性摩擦层正相对，以振幅5cm，1Hz的频率做垂直移动往复运动，挤压摩擦发电。测得摩擦纳米发电机得到的输出电压为～70V。
实施例2：
(1)利用粘贴铜箔的玻璃作为下电极层，将其面积裁切为3cm*2cm。
(2)将油基磁流体、聚二甲基硅氧烷预聚体、聚二甲基硅氧烷固化剂混合，然后放于冰水浴中以转速800rpm搅拌0.5h混合均匀得到磁性墨水；墨水中具体用量为2.59g油基磁流体、5.50g聚二甲基硅氧烷预聚体和0.55g聚二甲基硅氧烷固化剂。
(3)取3g墨水注入直接书写打印机的墨盒内，选用直径为100μm的喷头；将下电极层固定在打印平台上，铜箔的一面朝上，调整喷头直径高于下电极表面10μm；使墨水在30psi的空气压力下，以0.02mm s-1的速度按照图文信息将墨水打印在下电极层上，得到两点之间间距为200μm面积为2cm*2cm的点阵图案。
(4)将打印的点阵图案置于铷铁硼磁铁上，磁场强度为170mT，磁场梯度为16mT/mm，液滴被吸引后磁力作用下变形形成高度为91.2μm的三维结构；继而在120℃下固化30min固定形状得到电负性摩擦层。
(5)将两张铝片为电正性摩擦层及上电极层相贴合。
(6)将电正性摩擦层与电负性摩擦层正相对，以振幅5cm，1Hz的频率做垂直移动往复运动，挤压摩擦发电。测得摩擦纳米发电机得到的输出电压为～52V。

Claims (9)

1.一种基于磁场诱导打印制备三维摩擦纳米发电机的方法，其特征在于，该方法为：在下电极层上基于磁场诱导打印三维阵列的电负性摩擦层，将电正性摩擦层覆于上电极层上，电正性摩擦层与电负性摩擦层正相对高频往复挤压摩擦发电；
所述方法的具体步骤为：
（1）采用直接书写打印机按照图文信息将磁性墨水直接书写在下电极层上；
（2）在磁性墨水未干燥时，垂直于磁性墨水之上施加诱导磁场，磁性墨水收缩变形，形成三维锥形结构，最后高温固化定型得到电负性摩擦层；
（3）将电正性摩擦层覆于上电极层上，电正性摩擦层与电负性摩擦层正相对高频往复挤压摩擦发电。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的下电极层和上电极层均由导电层、或者导电层覆于支撑层上组成；所述导电层的材料选自金属、金属氧化物、碳材料中的一种或几种；所述的金属选自金、银、铜、铝中的一种或几种；所述的金属氧化物为氧化铟锡；所述的碳材料为石墨烯或碳纳米管；所述的支撑层的材料选自聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚丙烯酸、聚氯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、玻璃中的一种或几种。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的电正性摩擦层的材料为易失电子材料，选自铝、丝绸、纸、乙基纤维素、醋酸纤维素、聚乙二醇、聚乙二醇丁二酸酯、聚乙二醇己二酸、聚苯二甲酸二烯丙酯、聚氨酯、聚甲醛、聚酰胺、三聚氰胺甲醛中的一种或几种。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中直接书写的条件为：将磁性墨水注入墨盒内，将下电极层固定在打印平台上，磁性墨水在10-140 psi的空气压力下，以0.01-10 mm s-1的速度打印。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的磁性墨水的配制方法为：将磁性材料、可固化预聚体和固化剂混合均匀即得磁性墨水；磁性墨水中磁性材料的质量分数为10-50%，可固化预聚体和固化剂的质量比例为10:1 -5:1；所述的磁性材料为磁流体、四氧化三铁纳米粒子、或三氧化二铁纳米粒子。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于，所述的可固化预聚体为硅橡胶预聚体、自交联型聚丙烯酸酯预聚体、聚氨酯预聚体、或自交联型环氧树脂预聚体。
7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，固化温度为60-150 °C，固化时间不少于10min。
8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）的图文信息均由点阵组成，两点之间间距为100-500 µm。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的诱导磁场的磁场强度范围为100-350 mT，磁场梯度范围为10-30 mT/mm；所述的诱导磁场为铷铁硼磁铁产生的磁场、或通电线圈产生的磁场。
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