可变形摩擦纳米发电机和发电方法、运动传感器和服装技术

技术编号:14338936 阅读:37 留言:0更新日期:2017-01-04 11:42
本发明专利技术提供一种可变形的摩擦纳米发电机,包括摩擦部件和电极部件,在外力作用下,所述摩擦部件形状发生变化,与所述电极部件摩擦,撤去所述外力后,所述摩擦部件恢复初始形状,在所述电极部件与等电位之间形成电荷流动。相应的,本发明专利技术还提供一种发电方法,以及应用所述摩擦纳米发电机的运动传感器和服装。本发明专利技术中的摩擦纳米发电机可用于灵活多变的收集不同形式、方向的机械能,尤其适用于收集人体运动的动能。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及机械能发电领域,特别是一种基于可拉伸材料的可变形摩擦纳米发电机、发电方法,以及应用这种摩擦纳米发电机的运动传感器和服装。
技术介绍
纳米发电机,尤其是摩擦纳米发电机在近年来的研究和发展,实现将环境这普遍存在的微小机械能转变为电能,为我们这个社会提供了一种新型、高功率、低成本、环境友好的二次能源。迄今为止,多种模式的摩擦纳米发电机的相继专利技术,使得这种技术可以适用于多种不同的运动模式中,包括接触分离模式、水平滑动模式、单电极模式和自由模式等等。随着可穿戴电子器件的迅速发展,对相应的电源设备也有更高的要求。而目前为止,还没有发展出相应的可拉伸的摩擦纳米发电机,其主要限制包括两方面,一是材料本身的可拉伸性能,另一个是发电机的电极在拉伸过程中容易发生损坏,导致发电机性能的稳定性在拉伸过程中受到影响。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种可变形的摩擦纳米发电机,能够通过水平方向的拉伸运动或者竖直方向的压缩运动产生电能输出。为了实现上述目的,本专利技术提供一种可变形的摩擦纳米发电机,包括:电极部件,与等电位电连接;摩擦部件,为可变形结构;在外力作用下,所述摩擦部件形状发生变化,与所述电极部件摩擦,撤去所述外力后,所述摩擦部件恢复初始形状,在所述电极部件与等电位之间形成电荷流动。优选的,初始状态时,所述电极部件与摩擦部件部分表面接触;或者,初始状态时,所述电极部件与摩擦部件互相不接触,在外力作用下使所述电极部件和摩擦部件互相接触,撤去所述外力时,所述电极部件和摩擦部件互相分开。优选的,所述摩擦部件与电极部件接触或摩擦之后带负电荷,电极部件上带有正电荷。优选的,所述摩擦部件为波浪状结构、折叠状结构。优选的,所述摩擦部件为高分子材料。优选的,所述摩擦部件为热塑性高分子材料,通过热退火工艺加工成型。优选的,所述摩擦部件与电极部件互相接触的表面中至少一个表面设置微米或次微米量级的微结构,所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽,纳米锥、微米锥、纳米棒、微米棒、纳米球和微米球状结构。优选的,所述摩擦部件可承受的拉伸变形在20%以上。优选的,所述电极部件为可拉伸结构。优选的,所述电极部件的拉伸方向与所述摩擦部件的拉伸方向相同。优选的,所述电极部件的拉伸结构为图形化部件。优选的,所述电极部件包括至少1个蛇形、波浪形或者锯齿形子电极;多个子电极全部或者部分连接在一起,或者互相不连接。优选的,还包括可拉伸基底,所述电极部件设置在所述基底上。优选的,所述基底为拉伸模量在1MPa以下的材料。优选的,所述基底为PDMS、橡胶、弹性纤维或莱卡纤维。优选的,包括两个所述电极部件和一个所述摩擦部件,所述摩擦部件的相对两面与电极部件10面对面设置。优选的,两个电极部件并联后连接在等电位;或者,两个电极部件各自连接在一个等电位上。相应的,本专利技术提供一种运动传感器,包括上述任一项所述的摩擦纳米发电机,所述摩擦纳米发电机贴附在运动部位。优选的,所述摩擦纳米发电机采用无毒无副作用、与皮肤有粘结性、有一定的形状自适应性的材料。本专利技术还提供一种服装,包括上述任一项所述的摩擦纳米发电机。相应的,本专利技术还提供一种摩擦发电方法,采用上述任一项所述的摩擦纳米发电机,外力施加在所述摩擦纳米发电机上,所述摩擦部件发生变形,与所述电极部件发生摩擦,撤去外力后,所述摩擦部件恢复初始形状,在电极部件与等电位之间形成电荷流动。优选的,所述电极部件为可拉伸结构,外力施加时,所述摩擦部件与电极部件均发生变形,撤去外力后,所述摩擦部件与电极部件恢复原始形状,在电极部件与等电位之间形成电荷流动。与现有技术相比,本专利技术提供的摩擦纳米发电机具有如下优点:1、相比于传统模式的摩擦纳米发电机,本专利技术提供的摩擦纳米发电机采用可变形的摩擦部件,使器件具有可变形的特征。进一步的,采用可拉伸的电极部件,使发电机整体成为可拉伸发电机,可以收集拉伸运动产生的机械能用来发电。2、这种柔性、可拉伸的摩擦纳米发电机还具有很强的形状自适应性,可以用于在任何形状的表面进行机械能采集。3、由于材料具有很好的生物相容性,可以贴在人体皮肤的表面,用于实时监测人体的轻微运动,这种摩擦纳米发电机是制备生物运动传感器的理想器件。附图说明通过附图所示,本专利技术的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图,重点在于示出本专利技术的主旨。图1和图2为本专利技术实施例一的可变形摩擦纳米发电机的结构示意图;图3为本专利技术实施例二的可变形摩擦纳米发电机的结构示意图;图4为本专利技术可变形的摩擦纳米发电机在接触-分离模式下的工作原理示意图;图5为本专利技术可变形的摩擦纳米发电机在拉伸模式下的工作原理示意图;图6为本专利技术所述的可变形的摩擦纳米发电机在接触-分离模式下的输出性能,以及和对照组的对比;图7为本专利技术的可拉伸的摩擦纳米发电机在拉伸模式下的输出性能,以及和对照组的对比;图8为本专利技术的摩擦纳米发电机在不同曲率的曲面上的输出性能;图9为本专利技术的摩擦纳米发电机用于自驱动生物运动传感器的实时监测数据和应用实物照片。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图,对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然,所描述的实施例仅是本专利技术一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例,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,都属于本专利技术保护的范围。其次,本专利技术结合示意图进行详细描述,在详述本专利技术实施例时,为便于说明,所述示意图只是示例,其在此不应限制本专利技术保护的范围。实施例一:本专利技术所提供的可变形的摩擦纳米发电机的结构示意图如图1所示。摩擦纳米发电机的结构包括电极部件10和摩擦部件20,其中,电极部件10与地电位电连接,摩擦部件20为可变形的波浪状结构。在外力作用下,摩擦部件20形状发生变化,与电极部件10接触面积变化,撤去所述外力后,摩擦部件20恢复初始形状,在电极部件10与地电位之间形成电荷流动,形成一种可变形的单电极结构的摩擦纳米发电机。初始状态时,电极部件10和摩擦部件20可以互相接触,也可以互相不接触,在外力作用下使电极部件10和摩擦部件20互相接触,撤去所述外力时,电极部件10和摩擦部件20互相分开。由于摩擦部件20采用可变形结构,例如波浪形等结构,这里所述的电极部件10和摩擦部件20互相接触,是指电极部件10与摩擦部件20的很小部分接触,这样可以在受到外力作用时,使电极部件10和摩擦部件20的接触面积增大,甚至可以使电极部件与摩擦部件之间完全接触无空隙(如图4和5中所示)。本实施例中,电极部件10连接至地电位,也可以连接在其他等电位上,例如等电位电路,只要能够提供足够的电子即可。摩擦部件20与电极部件10在外力作用下表面互相摩擦,发生表面电荷转移,因此,在电极部件10与等电位之间形成电荷流动,如果在电极部件与等电位之间连接用电器,可以为用电器提供脉冲电流。摩擦部件20与电极部件10互相接触表面的材料的得失电子能力(即摩擦电极序)相差越大,发电机的输出越大。摩擦部件20的材料优选为绝缘体材料,更优选为高分子绝缘体材料,例如Kapton薄膜材料等。高分子绝缘材料可以选自以下材料中的一种或者几种:聚四本文档来自技高网...
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【技术保护点】
一种可变形的摩擦纳米发电机,其特征在于,包括:电极部件,与等电位电连接;摩擦部件,为可变形结构;在外力作用下,所述摩擦部件形状发生变化,与所述电极部件摩擦,撤去所述外力后,所述摩擦部件恢复初始形状,在所述电极部件与等电位之间形成电荷流动。

【技术特征摘要】
1.一种可变形的摩擦纳米发电机,其特征在于,包括:电极部件,与等电位电连接;摩擦部件,为可变形结构;在外力作用下,所述摩擦部件形状发生变化,与所述电极部件摩擦,撤去所述外力后,所述摩擦部件恢复初始形状,在所述电极部件与等电位之间形成电荷流动。2.根据权利要求1所述的发电机,其特征在于,初始状态时,所述电极部件与摩擦部件部分表面接触;或者,初始状态时,所述电极部件与摩擦部件互相不接触,在外力作用下使所述电极部件和摩擦部件互相接触,撤去所述外力时,所述电极部件和摩擦部件互相分开。3.根据权利要求1或2所述的发电机,其特征在于,所述摩擦部件与电极部件接触或摩擦之后带负电荷,电极部件上带有正电荷。4.根据权利要求1-3任一项所述的发电机,其特征在于,所述摩擦部件为波浪状结构、折叠状结构。5.根据权利要求1-3任一项所述的发电机,其特征在于,所述摩擦部件为高分子材料。6.根据权利要求5所述的发电机,其特征在于,所述摩擦部件为热塑性高分子材料,通过热退火工艺加工成型。7.根据权利要求1-6任一项所述的发电机,其特征在于,所述摩擦部
\t件与电极部件互相接触的表面中至少一个表面设置微米或次微米量级的微结构,所述微结构选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽,纳米锥、微米锥、纳米棒、微米棒、纳米球和微米球状结构。8.根据权利要求4-7任一项所述的发电机,其特征在于,所述摩擦部件可承受的拉伸变形在20%以上。9.根据权利要求1-8任一项所述的发电机,其特征在于,所述电极部件为可拉伸结构。10.根据权利要求9所述的发电机,其特征在于,所述电极部件的拉伸方向与所述摩擦部件的拉伸方向相同。11.根据权利要求9或10所述的发电机,其特征在于,所述电极部件的拉伸结构为图形化部件。1...

【专利技术属性】
技术研发人员:王中林林龙杨伯康
申请(专利权)人:北京纳米能源与系统研究所
类型:发明
国别省市:北京;11

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