CN111654204B - 摩擦纳米发电海绵、自驱动传感器和智能鞋垫 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种摩擦纳米发电海绵，包括海绵层与柔性导电层，并且在海绵层与柔性导电层的交界面所述柔性导电层对所述海绵层的孔隙产生局部包裹；其中，所述海绵层与柔性导电层层叠设置，或者所述柔性导电层嵌入海绵层的内部。当外力作用使所述摩擦纳米发电海绵发生形变时，或者海绵表面与外部物体接触分离过程中，所述摩擦纳米发电海绵的导电材料层通过负载接地或者其他导体在其间产生电信号。本发明的海绵将广泛使用的海绵材料作为基体，并配以柔性电极材料，高效地利用了海绵材料的成本低廉、佩戴舒适、融合方便以及机械性能优越等特点，不仅可用于进行高效能量收集，还可用于设计性能稳定易于集成的高性能的自驱动传感器。

Description

摩擦纳米发电海绵、自驱动传感器和智能鞋垫
技术领域
本发明涉及发电领域，具体涉及一种具有外形随意改变后仍可快速恢复的摩擦纳米发电海绵，以及应用其的自驱动传感器和智能鞋垫。
背景技术
能源危机是当今社会发展和科学进步难以绕开的一个棘手难题。随着物联网技术的发展和智慧理念的日趋推广，采用电池为生产生活中各种无线智能节点乃至应用越来越普遍的各类可穿戴设备进行供电并不是一种最理想的技术手段。
摩擦纳米发电机将摩擦起电和静电感应相结合，能够有效地将周围环境中的各种机械能转换为电能。目前，现有技术基于摩擦纳米发电机已经成功开展了为可穿戴设备供电，也可以直接开发为自驱动传感器在多种领域应用。然而，传统的摩擦纳米发电机通常采用硬质材料且具有多层结构，难以提供可全方向的拉伸、压缩和折叠的机械性能。一些现有技术中即使采用柔性材料制备，也无法完全为摩擦纳米发电机提供优异的机械性能和超强的鲁棒性。
发明内容
本发明的目的是提供一种外形随意改变后仍可快速恢复并且超级耐冲击的摩擦纳米发电海绵，具有优异的机械性能和超强的鲁棒性。
为了实现上述目的，本发明提供一种摩擦纳米发电海绵，包括海绵层与柔性导电层，并且在海绵层与柔性导电层的交界面所述柔性导电层对所述海绵层的孔隙产生局部包裹；其中，所述海绵层与柔性导电层层叠设置，或者所述柔性导电层嵌入海绵层的内部。
优选的，当外力作用使所述摩擦纳米发电海绵发生形变时，或者海绵表面与外部物体接触分离过程中，所述摩擦纳米发电海绵的导电材料层通过负载接地或者其他导体在其间产生电信号。
优选的，所述海绵层的材料为多孔弹性材料；优选的，所述海绵层的材料选自人造海绵或天然海绵。
优选的，所述柔性导电层的材料为液态导电材料或者凝固前为液态的导电材料。
优选的，所述柔性导电层的厚度范围为4-0.1mm，优选为不超过2mm。
优选的，所述液态导电材料包括液态金属及其合金；凝固前为液态的导电材料包括炭黑或纳米导电材料与可固化的柔性高分子材料混合均匀得到的柔性导电高分子材料；优选的，所述纳米导电材料为导电碳纤维、碳纳米管、石墨烯或银纳米线。
优选的，所述柔性导电高分子材料中包括可固化柔性高分子材料、炭黑、纳米导电材料，重量的比例为30:2:1。
优选的，所述海绵为片状、块状、球体、圆柱体或锥体结构。
优选的，还包括中空的间隔层、依次设置有柔性导电层和柔性摩擦层的海绵基底层，其中，
所述海绵、间隔层和海绵基底层依次层叠设置，使所述海绵层与柔性摩擦层相对设置，可以在外力作用下互相接触分离，在两个柔性导电层中产生电荷流动；其中，所述柔性摩擦层与所述海绵层的材料不同。
优选的，所述间隔层为海绵材料；所述柔性摩擦层为柔性高分子材料，或者为高分子材料粉末与可固化柔性高分子材料混合获得。
本发明还提供一种自驱动传感器，包括上述任一项所述的摩擦纳米发电海绵。
本发明还提供一种智能鞋垫，包括所述的自驱动传感器。
优选的，包括多个所述自驱动传感器，通过分析多个自驱动传感器输出信号的相位、时间、幅值或频率特征信号的差异分析得到运动类型或者运动特征。本发明的技术方案与现有技术相比，有下列优点：
本发明提供的摩擦纳米发电海绵，海绵层与柔性导电层层叠设置，或者所述柔性导电层嵌入海绵层的内部，不仅具有简单的结构，并且在兼具舒适性的同时具有超强的鲁棒性，外形随意改变后仍可快速恢复并且超级耐冲击，具有显著的机械性能，不仅可用于进行高效能量收集，还可用于设计性能稳定易于集成的高性能传感器。
本发明技术方案提出的摩擦纳米发电海绵，直接将在生产生活中广泛使用的海绵材料作为制作基体，并配以柔性电极材料，高效地利用了海绵材料的成本低廉，并且具有佩戴舒适、融合方便以及机械性能优越等特点。
附图说明
附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：
图1为本发明单电极摩擦纳米发电海绵结构示意图；
图2为单电极摩擦纳米发电海绵制备过程示意图；
图3为双电极摩擦纳米发电海绵的结构爆破示意图；
图4为双电极摩擦纳米发电海绵制备过程示意图；
图5为基于摩擦纳米发电海绵的智能鞋垫结构示意图；
图6为基于摩擦纳米发电海绵的智能鞋垫的典型电压输出曲线。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。
实施例一：
本实施例提供的摩擦纳米发电海绵，以常用的片状结构外形为例，包括一个电极层，为单电极摩擦纳米发电海绵的结构，示意图如图1所示。单电极摩擦纳米发电海绵1包括海绵层11和柔性导电层12，其中柔性导电层12嵌入海绵层11的内部并且在交界面对海绵层11的孔隙产生局部包裹。
根据摩擦纳米发电海绵的不同应用情况，单电极摩擦纳米发电海绵包含三种工作模式：接触—分离工作模式、压缩—释放工作模式和双工作模式。在接触—分离工作模式中，当海绵层11的外表面与外部物体发生接触分离时，将在带有负载的柔性导电层12上产生电荷变化，从而输出电流。而在压缩—释放工作模式中，当外力使单电极摩擦纳米发电机发生形变时，柔性导电层12与海绵层11在二者的交界面将发生接触状态变化，进而驱动柔性导电层12输出相应的电信号。而当外部物体与单电极摩擦纳米发电海绵发生接触并进一步导致其形变时，则依次存在两种工作模式，即称作双工作模式。
摩擦纳米发电海绵的结构不限于图1所示的片状结构，可以根据不同应用需要设计成不同的外形结构，例如块状、球体、圆柱体、锥体等结构。
摩擦纳米发电海绵的输出信号的强度与其工作面的外形尺寸成正比，在进行能量采集时为了获得更大的能量输出，在允许范围内其尺寸越大越好，以工作面135cm2的单电极摩擦纳米发电海绵与同尺寸的PTFE膜工作在双工作模式为例，输出电压峰峰值超过了2kVpp，输出功率在0.5GΩ时达到5.46mW的最大值。
海绵层的材料为多孔弹性材料，所述海绵层的材料可以选自人造海绵或天然海绵；海绵层的厚度不做特别要求，一般应不小于2mm。
为了保持摩擦纳米发电海绵的变形性能，柔性导电层12的厚度越薄越好，厚度范围可以在4-0.1mm，优选厚度不超过2mm，更优选厚度不超过1mm。
在制作摩擦纳米发电海绵时，柔性导电层的材料为液态或者凝固前为液态的导电材料。柔性导电层12通常选取炭黑、纳米导电材料与可固化的柔性高分子材料混合均匀得到的柔性导电高分子材料。其中纳米导电材料可以为导电碳纤维、碳纳米管、石墨烯、银纳米线等纳米材料；可固化的柔性高分子材通常选择硅胶、聚二甲基硅氧烷等柔性高分子材料。
上述柔性导电高分子材料中，可固化柔性高分子材料、炭黑、纳米导电材料重量的优选比例为30:2:1。
在制备自驱动传感的微小型器件时，为了减小器件尺寸，柔性导电层12还可以选择镓铟锡这类液态金属导电材料，例如液态金属镓及其合金。
图2描述了单电极摩擦纳米发电海绵1的制备过程示意图。将炭黑与碳纳米管以2:1的重量比例混合均匀倒入硅胶A组分中充分搅拌混合均匀，再加入硅胶B组分充分搅拌均匀，从而得到柔性导电硅胶，其中，硅胶A、硅胶B、炭黑与碳纳米管的重量比为15:15:2:1；在柔性导电硅胶开始固化之前将其均匀涂抹在一片海绵的最大表面，随即在其上放置一根导电银线作为信号输出线；紧接着将另一海绵材料覆盖其上，并均匀施加压力以致柔性导电硅胶遍布两片海绵材料的接触表面并渗入其中作为凝固前的柔性导电层12；释放压力后，静止器件50℃～60℃恒温固化30分钟或常温长时间成型得到所述单电极摩擦纳米发电海绵1。
在其他器件制备过程中也可以直接将一片海绵从侧边切一道深缝，然后将适量的液态金属涂抹在切面，随后置入作为信号输出的导电银线，紧接着用少量硅胶封口固化后即得到了摩擦纳米发电海绵。这种制备过程特别有利于制备微小型单电极摩擦纳米发电海绵。
当外力作用使所述摩擦纳米发电海绵发生形变时，或者海绵表面与外部物体接触分离过程中，所述摩擦纳米发电海绵的柔性导电材料层通过负载接地或者其他导体在其间产生电信号(电流或者电压信号)。在本实施例中，摩擦纳米发电海绵1通过柔性导电层12与海绵层11在二者的交界面发生接触状态变化以驱动柔性导电层12产生输出。在实际使用时，可以将柔性导电层12通过导线与地或者其他导体连接，负载可以连接在柔性导电层12与地之间。摩擦纳米发电海绵1的结构除了图1中的上下均包括海绵层11形成柔性导电层12嵌入海绵层11外，也可以仅包括上层或者下层的海绵层11，海绵层11与柔性导电层12层叠设置，并且在交界面柔性导电层12对海绵层11的孔隙产生局部包裹。
实施例二：
在压缩—释放工作模式中，单电极摩擦纳米发电海绵1通过柔性导电层12与海绵层11在二者的交界面发生接触状态变化以驱动柔性导电层12产生输出。但由于不会发生十分剧烈的接触变化，所以输出信号较小。为了提高该模式下摩擦纳米发电海绵的输出性能，在单电极摩擦纳米发电海绵1的基础上，本实施例提出了一种双电极摩擦纳米发电海绵2，其结构爆炸示意图如图3所示。通过将单电极摩擦纳米发电海绵1、中空的间隔层22、从内到外依次设置有柔性导电层32和柔性摩擦层31的海绵基底层33层合而成。所述海绵、间隔层和海绵基底层依次层叠设置，使摩擦纳米发电海绵的海绵层11与柔性摩擦层31相对设置，可以在外力作用下互相接触分离，由于摩擦起电和静电感应效应在两个柔性导电层中产生电荷流动，可以在负载中产生电输出。柔性摩擦层31优选为高分子材料，可以通过在柔性高分子材料中添加高分子材料粉末制成，其中高分子材料粉末包括聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚乙烯等。柔性摩擦层31需要与摩擦纳米发电海绵1中的海绵层11的材料不同，具有不同的表面电负性，在外力作用下互相接触分离时，可以在二者的表面分别产生正负电荷。
图4详细描述了双电极摩擦纳米发电海绵制备过程。首先按照前述方法将柔性导电硅胶均匀涂抹于一片海绵上并放置导电银线23固化备用；由于双电极结构中需要引入区别于海绵的摩擦材料并且同样需要避免硬质材料的介入，从而选择聚四氟乙烯粉末用于制作柔性摩擦层。将聚四氟乙烯粉末倒入硅胶A组分中搅拌混合均匀，紧接着倒入硅胶B组分搅拌混合均匀得到柔性摩擦材料。硅胶A与硅胶B的重量相同，聚四氟乙烯粉末的重量是硅胶的1～2倍；在柔性摩擦材料开始固化前将其均匀涂抹在柔性导电层上并固化得到带有柔性导电层和柔性摩擦层的海绵基底层；最后，在作为中空的间隔层的海绵材料两侧均匀涂抹混合好的硅胶，并依次将其与准备好的单电极摩擦纳米发电海绵和带有柔性导电层和柔性摩擦层的海绵连接固化成型则得到了双电极摩擦纳米发电海绵。
柔性摩擦层可以选择柔性高分子材料，也可以选择上述方法中的高分子材料粉末与可固化柔性高分子材料混合获得，材料中高分子材料粉末的重量是可固化柔性高分子材料重量的1-2倍。
实施例三：
摩擦纳米发电海绵主要采用了海绵材料，并辅以适量的柔性导电材料或者柔性摩擦材料完成摩擦纳米发电机的构建，结构简单、成本低廉、制作方便快捷，不仅沿袭了海绵材料外形随意改变后仍可快速恢复并且超级耐冲击的机械性能和舒适的使用体验，还成功引入了摩擦纳米发电机的设计，保证了摩擦纳米发电海绵不仅可以进行高效地机械能量的采集，还能够实现高性能的自驱动传感。
相应的，本实施例还提供一种包括实施例一或实施例二的摩擦纳米发电海绵的自驱动传感器，得益于海绵材料的使用，能够方便快捷地在各类海绵使用场景中进行简单的融合集成，实现对使用场景中的健康状态、运动信息、安全防护等各式各样与人们息息相关的信息进行传感监测，使各类场景实现智能化飞跃。在人们的生产生活中，海绵的身影随处可见，鞋垫、鞋类填充物、服装垫肩、文胸、儿童书包、婴儿背带、坐垫、产品包装填充等等不胜枚举，可以广泛应用本发明提供的包括摩擦纳米发电海绵的自驱动传感器。
摩擦纳米发电海绵在以往相关研究中，已出现了通过在鞋垫中植入各类压力传感器等实现对运动状态的监测的研究乃至产品，但这类研究植入的传感器虽然能够出色的完成功能，但往往由于硬质材料的使用，使得这类传感器并不具备完美的相容性，难免被用户排斥。而图5所描述的基于摩擦纳米发电海绵的鞋垫能够很好的解决前述相关研究中相容性差进而导致用户体验欠佳的问题。摩擦纳米发电海绵很好地与制作鞋垫的海绵材料实现融合的同时，也完成了对运动状态的监测，其典型输出波形如图6所示，采用实施例三的自驱动传感器，当摩擦纳米发电海绵1的智能鞋垫3被踩下时，植入的摩擦纳米发电海绵1输出一个波峰，反之输出一个波谷。可以在智能鞋垫中植入多个自驱动传感器(摩擦纳米发电海绵)，通过分析多个自驱动传感器(植入摩擦纳米发电海绵)输出信号的相位、时间、幅值、频率等特征信号的差异可以分析得到走路、跑步、原地踏步、跳跃等运动类型以及步频、步幅、滞空时间、足底压力等运动特征。可见，摩擦纳米发电海绵作为自驱动传感器在助力生产生活中的各类海绵应用实现智能化飞跃的过程中优势突出，前景广阔，具有巨大的市场应用前景。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (15)

1.一种摩擦纳米发电海绵，其特征在于，包括海绵层与柔性导电层，并且在海绵层与柔性导电层的交界面所述柔性导电层对所述海绵层的孔隙产生局部包裹；其中，所述海绵层与柔性导电层层叠设置，或者所述柔性导电层嵌入海绵层的内部；所述柔性导电层的材料为液态导电材料或者凝固前为液态的导电材料。
2.根据权利要求1所述的海绵，其特征在于，当外力作用使所述摩擦纳米发电海绵发生形变时，或者海绵表面与外部物体接触分离过程中，所述摩擦纳米发电海绵的导电材料层通过负载接地或者其他导体在其间产生电信号。
3.根据权利要求1或2所述的海绵，其特征在于，所述海绵层的材料为多孔弹性材料。
4.根据权利要求1或2所述的海绵，其特征在于，所述海绵层的材料选自人造海绵或天然海绵。
5.根据权利要求1所述的海绵，其特征在于，所述柔性导电层的厚度范围为4-0.1mm。
6.根据权利要求1所述的海绵，其特征在于，所述柔性导电层的厚度不超过2 mm。
7.根据权利要求1所述的海绵，其特征在于，所述液态导电材料包括液态金属及其合金；凝固前为液态的导电材料包括炭黑和/或纳米导电材料与可固化的柔性高分子材料混合均匀得到的柔性导电高分子材料。
8.根据权利要求7所述的海绵，其特征在于，所述纳米导电材料为导电碳纤维、碳纳米管、石墨烯或银纳米线。
9.根据权利要求7所述的海绵，其特征在于，所述柔性导电高分子材料中包括可固化的柔性高分子材料、炭黑、纳米导电材料，重量的比例为30:2:1。
10.根据权利要求1所述的海绵，其特征在于，所述海绵为片状、块状、球体、圆柱体或锥体结构。
11.根据权利要求1所述的海绵，其特征在于，还包括中空的间隔层、依次设置有柔性导电层和柔性摩擦层的海绵基底层，其中，
所述海绵、间隔层和海绵基底层依次层叠设置，使所述海绵层与柔性摩擦层相对设置，可以在外力作用下互相接触分离，在两个柔性导电层中产生电荷流动；其中，所述柔性摩擦层与所述海绵层的材料不同。
12.根据权利要求11所述的海绵，其特征在于，所述间隔层为海绵材料；所述柔性摩擦层为柔性高分子材料，或者为高分子材料粉末与可固化柔性高分子材料混合获得。
13.一种自驱动传感器，其特征在于，包括权利要求1-12任一项所述的摩擦纳米发电海绵。
14.一种智能鞋垫，其特征在于，包括权利要求13所述的自驱动传感器。
15.根据权利要求14所述的鞋垫，其特征在于，包括多个所述自驱动传感器，通过分析多个自驱动传感器输出信号的相位、时间、幅值或频率特征信号的差异分析得到运动类型或者运动特征。
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