CN112260573B - 一种可拉伸摩擦纳米发电机及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可拉伸摩擦纳米发电机及其制备方法。所述可拉伸摩擦纳米发电机包括：拉伸起电层，其内设置一封闭腔体，所述腔体内适于填充液态金属，所述封闭腔体包括第一腔体和沿所述第一腔体周向分布的多个孔道，所述液态金属适于在所述孔道与所述第一腔体之间流动；电极层，所述电极层适于与所述拉伸起电层的表面连接。本发明可以多方向拉伸及释放所述拉伸起电层，使得液态金属均在第一腔体和孔道之间流动往返，由此导致拉伸起电层的表面产生感应电荷，与现有技术相比，本发明消除了发电机电性能输出在输出方向上的限制，提高了发电机的电能输出能力。
Description
技术领域
本发明涉及摩擦纳米发电机技术领域，具体而言，涉及一种可拉伸摩擦纳米发电机及其制备方法。
背景技术
摩擦纳米发电机是一种新型自驱动能量收集器件，其利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能。由于其设计简单、材料选择性广及输出性能高而被广泛应用于柔性可拉伸能源。其中可拉伸摩擦纳米发电机在柔性电子及可穿戴器件中有重要应用。
目前大部分可拉伸发电机一般基于如下两种结构：一、利用预处理的褶皱起电层在拉伸过程发生有效接触分离来实现电能输出；二、基于拉伸过程中弹性起电材料与液体的接触分离产生电输出。虽然这两种结构的可拉伸摩擦纳米发电机已经有很多重要的进展，但其只允许摩擦纳米发电机在单一拉伸方向上产生电输出，且常用的弹性起电材料摩擦电荷密度低，因此可拉伸摩擦纳米发电机的电能输出较低。
发明内容
本发明解决的问题是现有可拉伸摩擦纳米发电机的电能输出较低和拉伸方向单一的问题。
为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种可拉伸摩擦纳米发电机，包括：
拉伸起电层，其内设置一封闭腔体，所述封闭腔体内适于填充液态金属，所述封闭腔体包括第一腔体和沿所述第一腔体周向分布的多个孔道，所述液态金属适于在所述孔道与所述第一腔体之间流动；
电极层，所述电极层适于与所述拉伸起电层的表面连接。
较佳地，所述第一腔体为正泊松比环形结构，所述孔道为负泊松比结构，或者，所述第一腔体为负泊松比环形结构，所述孔道为正泊松比结构。
较佳地，所述孔道的与所述第一腔体连接的一端的截面积小于所述孔道的远离所述第一腔体的一端的截面积。
较佳地，所述孔道包括第二腔体和连接通道，所述连接通道用于连接所述第一腔体和所述第二腔体。
本发明提供的可拉伸摩擦纳米发电机相较于现有技术具有的有益效果如下：
本发明在拉伸起电层内设置特殊结构的封闭腔体，使得孔道沿第一腔体的周向分布，因此，可以多方向拉伸所述拉伸起电层，使得液态金属均在内部第一腔体和外部孔道之间流动往返，由此导致拉伸起电层的表面产生感应电荷，与现有技术相比，本发明消除了发电机电性能输出在输出方向上的限制，提高了发电机的电能输出能力。
本发明还提供一种可拉伸摩擦纳米发电机的制备方法，包括：
将拉伸起电层的前驱体材料置于模具中进行固化处理，得到内部设置有封闭腔体的拉伸起电层，所述封闭腔体适于填充液态金属，其中所述封闭腔体包括第一腔体和沿所述第一腔体周向分布的多个孔道，所述液态金属适于在所述第一腔体和所述孔道之间流动；
利用高压静电喷涂液态金属微纳米颗粒和高压静电纺丝高分子弹性体材料同时进行的方法，制得电极层；
将所述拉伸起电层与所述电极层组装在一起，制得可拉伸摩擦纳米发电机。
较佳地，所述将拉伸起电层的前驱体材料置于模具中进行固化处理，得到内部限定有封闭腔体的拉伸起电层包括：
将所述拉伸起电层的前驱体材料置于第一模具中固化处理，得到第一模型，所述第一模型的其中一个表面上设置有凹槽结构，所述凹槽结构包括设置在所述第一模型中间部位的第一凹槽以及设置在所述第一凹槽周向的多个第二凹槽，且所述第一凹槽和所述第二凹槽连通；
将所述液态金属填充入所述凹槽结构内；
向第二模具中灌注所述拉伸起电层的前驱体材料，进行固化处理，得到第二模型，所述第二模型为适于盖在所述凹槽结构上的盖体；
将所述第二模型盖在所述凹槽结构上，进行固化处理，完成所述第一模型与所述第二模型的封装，所述凹槽结构与所述盖体合围形成所述拉伸起电层的所述封闭腔体。
较佳地，所述将拉伸起电层的前驱体材料置于模具中进行固化处理，得到内部限定有封闭腔体的拉伸起电层包括：
将所述拉伸起电层的前驱体材料置于第一模具中固化处理，得到第一模型，所述第一模型的其中一个表面上设置有凹槽结构，所述凹槽结构包括设置在所述第一模型中间部位的第一凹槽以及设置在所述第一凹槽周向的多个第二凹槽，且所述第一凹槽和所述第二凹槽连通；
将液态金属填充入所述凹槽结构内；
将两个所述第一模型封装在一起，两个所述凹槽结构合围形成所述拉伸起电层的所述封闭腔体。
较佳地，所述利用高压静电喷涂液态金属微纳米颗粒和高压静电纺丝高分子弹性体材料同时进行的方法制得电极层包括：
配置高分子弹性体材料的含氟溶液以及液态金属的酒精溶液；
在所述高分子弹性体材料的含氟溶液一端和所述液态金属的酒精溶液一端同时施加正电压，在接收滚筒上施加负电压，旋转接收滚筒，同时进行静电喷涂与静电纺丝，制得所述电极层。
较佳地，所述高分子弹性体材料的含氟溶液的推注速度为(0.1-0.15)ml/min，所述液态金属的酒精溶液的推注速度为(0.05-0.1)ml/min，
较佳地，所述高分子弹性体材料的含氟溶液的浓度为4％，所述液态金属的酒精溶液的浓度为20％。
本发明提供的可拉伸摩擦纳米发电机的制备方法相较于现有技术具有的有益效果如下：
本发明通过在拉伸起电层内设置封闭腔体，封闭腔体由孔道和第一腔体构成，且孔道沿第一腔体周向分布，由此通过拉伸或释放拉伸所述拉伸起电层，使得液态金属在第一腔体和孔道之间流动往返，且不论在哪个方向上拉伸所述拉伸起电层，液态金属均可以在封闭腔体内流动，实现了发电机的多方向输出，提高了发电机的电能输出能力。且由于电极层的制备采用静电纺丝与静电喷涂同时进行，当拉伸起电层受拉伸时，液态金属微纳米颗粒会束缚纤维网格结构移动，从而增大拉伸起电层拉伸时的摩擦力，由此增强电极层的表面电势和电荷密度，进而提高摩擦纳米发电机的电性能输出能力。
附图说明
图1为本发明实施例中可拉伸摩擦纳米发电机的拉伸起电层的结构示意图；
图2为本发明实施例中可拉伸摩擦纳米发电机的电极层的结构示意图；
图3为本发明另一实施例中可拉伸摩擦纳米发电机的制备流程图。
附图标记说明：
1-拉伸起电层；11-第一腔体；12-孔道；121-连接通道；122-第二腔体；2-电极层。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
结合图1、2所示，本发明实施例提供一种可拉伸摩擦纳米发电机，包括：
拉伸起电层1，其内限定一封闭腔体，封闭腔体内适于填充液态金属，封闭腔体包括第一腔体11和沿第一腔体11周向分布的多个孔道12，液态金属适于在孔道12与第一腔体11之间流动；
电极层2，适于与拉伸起电层1的表面连接，将拉伸起电层1与电极层2上下层叠组装在一起，比如将电极层2粘贴在拉伸起电层1的下表面，当然也可以将电极层2通过其它方式设置在拉伸起电层1的上表面。
本实施例提供的摩擦纳米发电机，在拉伸起电层1内设置特殊结构的封闭腔体，封闭腔体包括位于拉伸起电层1中间部位的第一腔体11、分布在拉伸起电层1周向的多个孔道12。当拉伸或释放拉伸所述拉伸起电层1时，液态金属适于在第一腔体11和孔道12之间流动，由此导致拉伸起电层1的表面产生感应电荷，包括感应正电荷和感应负电荷，电极层2适于收集感应负电荷，电极层2通过导线与外接电路连接，实现电荷输出。
由于孔道12沿第一腔体11的周向分布，因此，无论向哪一个方向拉伸所述拉伸起电层1，液态金属均可以在内部第一腔体11和外部孔道12之间流动往返，消除发电机的电性能输出在输出方向上的限制，与现有摩擦纳米发电机仅在单一拉伸方向上产生电输出相比，本实施例的发电机其电能输出能力更大。
在其中一些实施方式中，第一腔体11为正泊松比环形结构，孔道12为负泊松比结构。泊松比是材料在单向受拉或受压时，横向正应变与轴向正应变的绝对值的比值。当材料在拉伸时其横向发生收缩，这类材料为正泊松比材料。当材料受拉伸时，在弹性范围内发生横向膨胀，而受压缩时材料的横向反而发生收缩，这类材料为负泊松比材料。
本实施例中，通过在拉伸起电层1内设置具有特殊结构的封闭腔体，通过孔道的结构设计，使得封闭腔体的不同部位分别产生不同的泊松比效应，优选实施方式中，封闭腔体内的第一腔体11具有正泊松比效应，封闭腔体内的孔道12具有负泊松比效应，当拉伸起电层1受拉伸时，孔道12发生横向膨胀，第一腔体11发生横向收缩，液态金属由第一腔体11向孔道12内流动，当拉伸起电层1受拉伸释放时，孔道12发生横向收缩，第一腔体11发生横向膨胀，液态金属又由孔道12向第一腔体11内流动。如此，通过不断地拉伸、释放拉伸所述拉伸起电层1，使得液态金属在第一腔体11和孔道12内不断地往复流动，进而在拉伸起电层1的表面感应出正负电荷。当然，在另外一些实施方式中，也可以是第一腔体11为负泊松比环形结构，孔道12为正泊松比结构。
在其中一些实施方式中，孔道12的与第一腔体11连接的一端的截面积小于孔道12的远离第一腔体11的一端的截面积，所谓截面积是以垂直于第一腔体11径向方向截取的面积，如此，液态金属可以储存在孔道12的远离第一腔体11的一端。且可以理解的是，由于自靠近第一腔体11至远离第一腔体11，绕第一腔体11外围一周的周长变长，因此虽然孔道12的远离第一腔体11的一端的截面面积较大，但是由于远离第一腔体11的周长边长，因此孔道12的远离第一腔体11的一端可以沿轴向均匀分布。如此可以在第一腔体11的周向布设更多的孔道12，而理论上来说，孔道12的数量越多，液态金属在第一腔体11和孔道12之间的流动就越多，在拉伸起电层1的表面感应出的电荷就越多，进而提高摩擦纳米发电机的电能输出能力。
一种实施方式中，孔道12包括第二腔体122和连接通道121，连接通道121为一狭长的通道，用于连接第一腔体11和第二腔体122。如此，在拉伸起电层1的拉伸和释放过程中，液态金属在第一腔体11和第二腔体122之间流动，从而在拉伸起电层1的上下两个表面上感应出电荷。可选地，第一腔体11和第二腔体122的形状可以为圆形、多边形或椭圆形，本实施例对其形状不做限制。第一腔体11的形状优选为圆形，连接通道121的形状优选为细长的矩形。
结合图3所示，本发明另一实施例提供一种可拉伸摩擦纳米发电机的制备方法，包括：
以热塑性聚氨酯、硅胶等弹性体为前驱体材料，利用3D打印模具辅助方法制备内部限定有封闭腔体的拉伸起电层1，将液态金属填充入封闭腔体内，其中封闭腔体包括第一腔体11和沿第一腔体11周向分布的多个孔道12，液态金属适于在第一腔体11和孔道12之间流动；
利用高压静电喷涂液态金属微纳米颗粒和高压静电纺丝高分子弹性体材料同时进行的方法，制得电极层2；
将拉伸起电层1与电极层2组装在一起，制得可拉伸摩擦纳米发电机。由此当液态金属划过孔道12的侧面时，在弹性体表面形成电荷捕捉，这些捕捉的电荷会跟电极层2进行静电感应，静电感应会引起外电路电子转移，产生交流电。
其中，拉伸起电层1和电极层2可以通过超薄VHB胶带粘合在一起，使得电极层2与拉伸起电层1的其中一个表面连接，用于收集拉伸起电层1表面的感应电荷。
其中一些实施方式中，拉伸起电层1内封闭腔体的形成方式为：
先将前驱体材料置于第一模具中固化，得到第一模型。其中，第一模型的其中一个表面上设置有凹槽结构，凹槽结构包括设置在第一模型中间部位的第一凹槽以及设置在第一凹槽周向的多个第二凹槽，且第一凹槽和第二凹槽连通，而后将液态金属填充入凹槽结构内，优选填充入第一凹槽内。
然后采用与第一模具相对应尺寸的第二模具，向第二模具中灌注前驱体材料固化后，得到第二模型，第二模型是一个适用于盖在第一模型上的盖体。
最后将第二模型盖在第一模型的凹槽结构上，加热固化完成第一模型与第二模型的封装，得到内部限定有封闭腔体的拉伸起电层1，其中凹槽结构与盖在凹槽结构上的第二模型共同限定出该封闭腔体。
另外一些实施方式中，拉伸起电层1内封闭腔体的形成方式为：
先将前驱体材料置于第一模具中固化，得到第一模型，液态金属填充入第一模型的凹槽结构内；
将两个第一模型封装在一起，两个凹槽结构共同限定形成拉伸起电层1的封闭腔体。
其中一些实施方式中，利用高压静电喷涂液态金属微纳米颗粒和高压静电纺丝高分子弹性体材料同时进行的方法制得电极层2包括：
配置高分子弹性体材料的含氟溶液以及液态金属的酒精溶液；
在高分子弹性体材料的含氟溶液端和液态金属的酒精溶液端同时施加正电压8-15kV，在接收滚筒上施加负电压2kV，旋转接收滚筒，同时进行静电喷涂与静电纺丝，其中，高分子弹性体材料的含氟溶液的推注速度为(0.1-0.15)ml/min，液态金属的酒精溶液的推注速度为(0.05-0.1)ml/min，在接收滚筒上形成液态金属微纳米颗粒填充的纤维网格结构，将该纤维网格结构从接收滚筒上取下作为电极层2。
本实施例中，高分子弹性体材料的含氟溶液是将高分子弹性体材料溶于含氟溶剂中得到，溶液浓度为4％。由于质子化的溶剂更易于电离，因此含氟溶剂优选为质子化的含氟溶剂，具体实施方式中，含氟溶剂优选为六氟异丙醇、三氟乙醇、三氟乙酸或五氟丙醇。液态金属的酒精溶液是将液态金属溶于酒精溶液中得到，溶液浓度为20％。
本实施例中，静电纺丝与静电喷涂同时进行，液态金属喷涂至静电纺丝网结构中，液态金属微纳米颗粒可以与柔性的弹性体材料更好地结合，这种原位驻极的方式可以增强拉伸起电层1的表面电势和电荷密度，进而提高摩擦纳米发电机的电性能输出能力。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种可拉伸摩擦纳米发电机，其特征在于，包括：
拉伸起电层(1)，其内设置一封闭腔体，所述封闭腔体内适于填充液态金属，所述封闭腔体包括第一腔体(11)和沿所述第一腔体(11)周向分布的多个孔道(12)，所述液态金属适于在所述孔道(12)与所述第一腔体(11)之间流动；所述第一腔体(11)为正泊松比环形结构，所述孔道(12)为负泊松比结构，或者，所述第一腔体(11)为负泊松比环形结构，所述孔道(12)为正泊松比结构；所述孔道(12)的与所述第一腔体(11)连接的一端的截面积小于所述孔道(12)的远离所述第一腔体(11)的一端的截面积；
电极层(2)，所述电极层(2)适于与所述拉伸起电层(1)的表面连接。
2.根据权利要求1所述的可拉伸摩擦纳米发电机，其特征在于，所述孔道(12)包括第二腔体(122)和连接通道(121)，所述连接通道(121)用于连接所述第一腔体(11)和所述第二腔体(122)。
3.一种可拉伸摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，用于制备如权利要求1或2所述的可拉伸摩擦纳米发电机，包括：
将拉伸起电层(1)的前驱体材料置于模具中进行固化处理，得到内部设置有封闭腔体的拉伸起电层(1)，所述封闭腔体内适于填充液态金属，所述封闭腔体包括第一腔体(11)和沿所述第一腔体(11)周向分布的多个孔道(12)，所述液态金属适于在所述第一腔体(11)和所述孔道(12)之间流动；所述第一腔体(11)为正泊松比环形结构，所述孔道(12)为负泊松比结构，或者，所述第一腔体(11)为负泊松比环形结构，所述孔道(12)为正泊松比结构；所述孔道(12)的与所述第一腔体(11)连接的一端的截面积小于所述孔道(12)的远离所述第一腔体(11)的一端的截面积；
利用高压静电喷涂液态金属微纳米颗粒和高压静电纺丝高分子弹性体材料同时进行的方法，制得电极层(2)；
将所述拉伸起电层(1)与所述电极层(2)组装在一起，制得可拉伸摩擦纳米发电机。
4.根据权利要求3所述的可拉伸摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述将拉伸起电层(1)的前驱体材料置于模具中进行固化处理，得到内部限定有封闭腔体的拉伸起电层(1)包括：
将所述拉伸起电层(1)的前驱体材料置于第一模具中固化处理，得到第一模型，所述第一模型的其中一个表面上设置有凹槽结构，所述凹槽结构包括设置在所述第一模型中间部位的第一凹槽以及设置在所述第一凹槽周向的多个第二凹槽，且所述第一凹槽和所述第二凹槽连通；
将所述液态金属填充入所述凹槽结构内；
向第二模具中灌注所述拉伸起电层(1)的前驱体材料，进行固化处理，得到第二模型，所述第二模型为适于盖在所述凹槽结构上的盖体；
将所述第二模型盖在所述凹槽结构上进行固化处理，完成所述第一模型与所述第二模型的封装，所述凹槽结构与所述盖体合围形成所述拉伸起电层(1)的所述封闭腔体。
5.根据权利要求3所述的可拉伸摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述将拉伸起电层(1)的前驱体材料置于模具中进行固化处理，得到内部限定有封闭腔体的拉伸起电层(1)包括：
将所述拉伸起电层(1)的前驱体材料置于第一模具中固化处理，得到第一模型，所述第一模型的其中一个表面上设置有凹槽结构，所述凹槽结构包括设置在所述第一模型中间部位的第一凹槽以及设置在所述第一凹槽周向的多个第二凹槽，且所述第一凹槽和所述第二凹槽连通；
将液态金属填充入所述凹槽结构内；
将两个所述第一模型封装在一起，两个所述凹槽结构合围形成所述拉伸起电层(1)的所述封闭腔体。
6.根据权利要求3所述的可拉伸摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述利用高压静电喷涂液态金属微纳米颗粒和高压静电纺丝高分子弹性体材料同时进行的方法制得电极层(2)包括：
配置高分子弹性体材料的含氟溶液以及液态金属的酒精溶液；
在所述高分子弹性体材料的含氟溶液一端和所述液态金属的酒精溶液一端同时施加正电压，在接收滚筒上施加负电压，旋转接收滚筒，同时进行静电喷涂与静电纺丝，制得所述电极层(2)。
7.根据权利要求6所述的可拉伸摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述高分子弹性体材料的含氟溶液的推注速度为(0.1-0.15)ml/min，所述液态金属的酒精溶液的推注速度为(0.05-0.1)ml/min。
8.根据权利要求6所述的可拉伸摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述高分子弹性体材料的含氟溶液的浓度为4-6％，所述液态金属的酒精溶液的浓度为20％。
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