CN220242673U - 基于MXene聚合物的电子皮肤 - Google Patents
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Abstract
本实用新型提供一种基于MXene聚合物的电子皮肤，包括：层叠的绝缘层、导电海绵层、复合层，复合层的材料为MXene二维材料与有机硅胶的混合材料；尼龙薄膜，位于复合层远离绝缘层的一侧，尼龙薄膜带电，且向靠近或远离复合层的方向移动；在任意状态下，尼龙薄膜与复合层具有间隔；导线，一端与导电海绵层连接，另一端接地。通过用层叠的绝缘层、导电海绵层、复合层组成一个非接触式的TENG结构，在带电的尼龙薄膜靠近或远离非接触式TENG结构时，电子会沿着导线在导电海绵与地面之间转移，从而实现非接触式TENG结构对尼龙薄膜位置的感知。
Description
技术领域
本实用新型涉及电子皮肤技术，尤其涉及一种基于MXene聚合物的电子皮肤。
背景技术
摩擦纳米发电机可以利用电荷转移来将机械能转化为电能，在现有技术中，摩擦纳米发电机的工作模式包括：垂直接触-分离式、水平滑动式、单电极模式和独立层模式，其中，垂直接触-分离式摩擦纳米发电机是两种不同材料的介电薄膜面对面堆叠，它们各自的表面都镀有金属电极。当这两层介电薄膜相互接触时，会在两个接触表面形成符号相反的表面电荷。如果这两个表面由于外力的作用发生分离，它们中间会形成一个小的空气间隙，并在两个电极之间形成感应电势差。若两个电极通过负载连接在一起，电子则会通过负载从一个电极流向另一个电极，形成一个反向的电势差来平衡静电场。当两个摩擦层中间的空气间隙闭合时，由摩擦电荷形成的电势差消失，电子就会发生回流。
水平滑动式TENG是一种利用滑动摩擦起电和平面电荷分离过程耦合的装置，相对于垂直-接触分离式TENG，它对装置结构的要求较低，不需要具备恢复弹力和合适间隙。当外力作用时，两接触面之间的摩擦力会产生密集的摩擦电荷，两表面间接触区域的接触面积的周期性变化导致电荷中心的横向分离，达成产生电势差的效果。由于摩擦起电电荷仅分布在高分子聚合物的表面层且聚合物有良好的绝缘性，因此在一定周期内电荷并不会泄露。因此处于初始位置时带正负电的两表面间距离可以忽略不计，因此在这个时候两电极间几乎没有电势差。和垂直接触-分离TENG相比，水平滑动式TENG效率更高，更容易制造并且适用于收集多种机械能。
单电极模式以三维球形单电极摩擦纳米发电机为例，基于两物体间摩擦起电原理和静电感应理论，三维球形TENG理论上可以收集外部环境全部空间范围内震动产生的能量。由一个透明球壳和其中的可溶性聚四氟乙烯(PFA)塑料小球组成，装置最下部有一个铝电极，其工作时通过小球与大球接触分离与滑动产生的电子定向移动，使铝电极和地面间产生电流。
接触-分离模式和滑动模式TENG摩擦层必须要和电极与导线相连，这种结构极大地影响了TENG的广泛使用，因为在收集诸如不规则运动物体和人类行走机械能时，由于无法和系统始终紧密相连，因此无法有效采集这类机械能。而独立层模式是由两个固定的电极和一个可自由运动的独立摩擦层组成，独立层在外部机械能作用下在两电极间运动。由于电荷在绝缘薄膜表面可以停留很久，因此摩擦层可以提前带电或者在接触过程中带电。
由上可知，现有技术中的摩擦纳米发电机的工作模式都需要两种介电材料存在接触的过程，而本实用新型提供了一种基于MXene聚合物的电子皮肤，其基于无需两种介电材料接触的摩擦纳米发电机得到。
实用新型内容
根据上述提出的技术问题，而提供一种基于MXene聚合物的电子皮肤。本实用新型主要利用层叠的绝缘层、导电海绵层、复合层组成一个非接触式的TENG结构，在带电的尼龙薄膜靠近或远离非接触式TENG结构时，电子会沿着导线在导电海绵与地面之间转移，从而实现非接触式TENG结构对尼龙薄膜位置的感知。
本实用新型采用的技术手段如下：
本实用新型提供了一种基于MXene聚合物的电子皮肤，包括：
层叠的绝缘层、导电海绵层、复合层，所述复合层的材料为MXene二维材料与有机硅胶的混合材料；
尼龙薄膜，位于所述复合层远离所述绝缘层的一侧，所述尼龙薄膜带电，且向靠近或远离所述复合层的方向移动；在任意状态下，所述尼龙薄膜与所述复合层具有间隔；
导线，一端与所述导电海绵层连接，另一端接地。
进一步地，所述导电海绵层包括多个孔隙，所述孔隙填充有MXene二维材料与有机硅胶的混合材料。
进一步地，所述绝缘层的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
本实用新型具有以下优点：
本实用新型提供的基于MXene聚合物的电子皮肤，包括：层叠的绝缘层、导电海绵层、复合层，层叠的绝缘层、导电海绵层、复合层组成一个非接触式的TENG结构；复合层的材料为MXene二维材料与有机硅胶的混合材料，采用MXene二维材料与有机硅胶的混合材料制作复合层能够大幅提高非接触式TENG结构的发电效率；尼龙薄膜位于复合层远离绝缘层的一侧，尼龙薄膜带电，且向靠近或远离复合层的方向移动；在任意状态下，尼龙薄膜与复合层具有间隔；导线一端与导电海绵层连接，另一端接地，通过带电的尼龙薄膜靠近或远离非接触式TENG结构时，电子会沿着导线在导电海绵与地面之间转移，从而实现非接触式TENG结构对尼龙薄膜位置的感知。
基于上述理由本实用新型可在电子皮肤技术等领域广泛推广。
附图说明
为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本实用新型提供的基于MXene聚合物的电子皮肤的一种工作流程图。
图2为本实用新型提供的非接触式的TENG结构的一种结构示意图；
图中：1、绝缘层；2、导电海绵层；3、复合层；4、尼龙薄膜；5、导线。
具体实施方式
为使本实用新型实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
参照图1，图1为本实用新型提供的基于MXene聚合物的电子皮肤的一种工作流程图，来说明本实用新型提供的基于MXene聚合物的电子皮肤的一种具体的实施例，包括：
层叠的绝缘层1、导电海绵层2、复合层3，复合层3的材料为MXene二维材料与有机硅胶的混合材料；
尼龙薄膜4，位于复合层3远离绝缘层1的一侧，尼龙薄膜4带电，且向靠近或远离复合层3的方向移动；在任意状态下，尼龙薄膜4与复合层3具有间隔；
导线5，一端与导电海绵层2连接，另一端接地。
可以理解的是，层叠的绝缘层1、导电海绵层2、复合层3组成一个非接触式的TENG结构，MXene二维材料是一种表面蓬松多孔、多层累积的结构，这种结构便于与有机硅胶进行混合，从而可以提高导电性能，从而提高非接触式的TENG结构的输出特性。在图1中示意出尼龙薄膜4带正电荷，复合层3带负电荷，参照图1（ⅰ），图1（ⅰ）为原始状态，尼龙薄膜4带正电荷，复合层3带负电荷，导电海绵层2聚集正电荷以平衡静电荷；参照图1（ⅱ），当尼龙薄膜4向远离复合层3的方向移动时，电子开始通过导线5从导电海绵层2流到地；参照图1（ⅲ），此时再次达到一个平衡状态；参照图1（ⅳ），当尼龙薄膜4沿靠近复合层3的方向移动时，电子开始通过导线5从地流到导电海绵层2。在电子转移过程中，导线传输瞬时电流，而尼龙薄膜4和非接触式的TENG结构无接触，通过检测导线的瞬时电流就可知尼龙薄膜4与非接触式的TENG结构的相对移动方向。
与现有技术相比，本实用新型提供的基于MXene聚合物的电子皮肤具有以下优点：
本实用新型提供的基于MXene聚合物的电子皮肤，包括：层叠的绝缘层1、导电海绵层2、复合层3，层叠的绝缘层1、导电海绵层2、复合层3组成一个非接触式的TENG结构；复合层3的材料为MXene二维材料与有机硅胶的混合材料，采用MXene二维材料与有机硅胶的混合材料制作复合层3能够大幅提高非接触式TENG结构的发电效率；尼龙薄膜4位于复合层3远离绝缘层1的一侧，尼龙薄膜4带电，且向靠近或远离复合层3的方向移动；在任意状态下，尼龙薄膜4与复合层3具有间隔；导线5一端与导电海绵层2连接，另一端接地，通过带电的尼龙薄膜4靠近或远离非接触式TENG结构时，电子会沿着导线5在导电海绵与地面之间转移，从而实现非接触式TENG结构对尼龙薄膜4位置的感知。
在一些可选的实施例中，参照图2，图2为本实用新型提供的非接触式的TENG结构的一种结构示意图，导电海绵层2包括多个孔隙，孔隙填充有MXene二维材料与有机硅胶的混合材料。
可以理解的是，导电海绵层由于自身特性而具有多个孔隙，孔隙填充有MXene二维材料与有机硅胶的混合材料，能够使复合层3与导电海绵层2连接更加牢固，还能增加导电海绵层2的使用耐久性。
进一步地，本实施例提供的非接触式TENG结构的制作方法，包括：
提供一绝缘层1；
在所述绝缘层1的一侧安装导电海绵层2；
将有机硅胶溶于水，形成有机硅胶水溶液；
向有机硅胶水溶液中加入MXene二维材料，形成混合溶液；
将混合溶液涂抹在导电海绵远离绝缘层1的一侧；
待混合溶液的水分风干后，得到非接触式TENG结构。
在一些可选的实施例中，绝缘层1的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本实用新型的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本实用新型进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本实用新型各实施例技术方案的范围。
Claims (3)
1.一种基于MXene聚合物的电子皮肤，其特征在于，包括：
层叠的绝缘层、导电海绵层、复合层，所述复合层的材料为MXene二维材料与有机硅胶的混合材料；
尼龙薄膜，位于所述复合层远离所述绝缘层的一侧，所述尼龙薄膜带电，且向靠近或远离所述复合层的方向移动；在任意状态下，所述尼龙薄膜与所述复合层具有间隔；
导线，一端与所述导电海绵层连接，另一端接地。
2.根据权利要求1所述的基于MXene聚合物的电子皮肤，其特征在于，所述导电海绵层包括多个孔隙，所述孔隙填充有MXene二维材料与有机硅胶的混合材料。
3.根据权利要求1或2所述的基于MXene聚合物的电子皮肤，其特征在于，所述绝缘层的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯。
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2023
- 2023-06-27 CN CN202321657083.2U patent/CN220242673U/zh active Active
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