一种双面可穿戴的摩擦纳米发电机及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种双面可穿戴的摩擦纳米发电机及其制备方法，该摩擦纳米发电机包括：依次层叠分布的第一个高分子聚合物薄膜层，摩擦电极层以及第二个高分子聚合物摩擦薄膜层，人体作为第二电极，与大地相连接，两层摩擦薄膜都是由柔性的高分子聚合物形成，外表面上都修饰有纳米结构；所述的柔性高分子聚合物薄膜层可穿戴在人体上，与人体皮肤相互摩擦；所述摩擦电极层为摩擦纳米发电机的电压和电流输出电极。利用表面修饰凹凸纳米结构的柔性材料作为两层高分子聚合物薄膜层，增加了摩擦面的粗糙度和接触面积，产生更多的感应电荷。本发明专利技术提供的摩擦纳米发电机采用独特的双面摩擦层和柔性材料，可以收集不同方向的能量，实现更高能量的输出。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于新能源开发和微纳结构加工领域，具体涉及一种双面可穿戴的摩擦纳米发电机及其制备方法。
技术介绍
随着现代科技的迅猛发展，电子设备及系统不断朝着小型化、便携式、多功能化等方向演化，便携式电子产品与我们的生活日益密切，目前使用可穿戴设备已经成为大众消费的新潮流和新时尚。如何实时的给这些数量庞大的微型便携式电子设备供电成为产业和信息技术发展中亟待解决的问题。摩擦起电是日常生活中一种十分普遍的现象，依赖于接触材料的摩擦电极性的差别，在接触面表面形成摩擦电荷，产生静电，是一种典型的机械能转化为电能的物理现象。2011年，王教授研究团队才在充分利用摩擦起电和静电感应的耦合作用下专利技术了世界上首个摩擦纳米发电机，验证了表面修饰着微纳米结构的摩擦面可以提高发电效率。为了实现可以收集人体机械能的便携穿戴式的摩擦纳米发电机，2013年王忠林教授研究组和重庆大学的张虎林研究组几乎同一时间研制出了基于人体肌肤设计的单电极摩擦电纳米发电机，由单个接地的聚合物摩擦电极组成，当人体皮肤与聚合物面接触时，产生摩擦电荷，一旦皮肤离开聚合物表面，电子流向大地，重复规律性的碰触和分离可以在外接电路上输出交流电流，实现发电。这种单电极的摩擦纳米发电机非常适合随身携带，为便携式电子设备供电。但是这种穿戴式摩擦纳米发电机只有一个摩擦面可以进行修饰处理，能量转化效率必然降低，且结构制作工艺过于单一，重复性差，导致其的应用受到严重限制，亟待进一步的深入研究。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题为：针对可穿戴摩擦纳米发电机效率低、加工方法单一的缺陷，本专利技术提供一种双面可穿戴的摩擦纳米发电机及其制备方法，将摩擦层由目前的单面提升为双面，收集更多方向的能量，并在摩擦面上修饰纳米结构，提高摩擦面的粗糙度和接触面积，输出更高的电压和电流，实现可穿戴式摩擦纳米发电机的高能量输出。为了解决上述技术问题，本专利技术提供的技术方案是：一种双面可穿戴的摩擦纳米发电机，该摩擦纳米发电机包括：依次层叠分布的第一个高分子聚合物薄膜层，摩擦电极层以及第二个高分子聚合物摩擦薄膜层，人体作为第二电极，与大地相连接，两层摩擦薄膜都是由柔性的高分子聚合物形成，外表面上都修饰有纳米结构；所述的柔性高分子聚合物薄膜层可穿戴在人体上，与人体皮肤相互摩擦；所述摩擦电极层为摩擦纳米发电机的电压和电流输出电极。前述的摩擦纳米发电机，所述的高分子聚合物薄膜是双层的，与人体接触摩擦的摩擦面是双面式的。前述的摩擦纳米发电机，所述的高分子聚合物薄膜层两层是一体的或分离式的，所用材料是相同的或不同的；其中所采用的材料是柔性高分子聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)、UV固化胶NOA61或巯基-烯(Thiol-ene)，厚度为0.1-2mm。前述的摩擦纳米发电机，所述的高分子聚合物薄膜外表面上修饰纳米结构，纳米结构尺寸为10-500nm，深度1-30μm，其中纳米结构是纳米尖、纳米针、纳米柱、纳米颗粒。前述的摩擦纳米发电机，所述的摩擦电极层是第一电极，第二电极是人体皮肤或衣服纤维。前述的摩擦纳米发电机，所述的摩擦电极层选用导电材料，石墨烯、导电玻璃、金属或合金，其中金属是金、银、铝、镍、铜、铁、钛、钨。前述的摩擦纳米发电机，所述的摩擦电极层的厚度为0.1-10μm。本专利技术提供的第二技术方案是，一种双面可穿戴摩擦纳米发电机的制备方法，该方法包括：步骤(1)制备双面式纳米结构摩擦层在两层高分子聚合物膜上的外表面制备纳米尺度的结构，将没有结构的一面连接在一起，得到双面式的纳米结构摩擦层；步骤(2)制备摩擦电极在两层无结构面的摩擦层之间加入一层导电层，收集两层摩擦面的感应电荷，形成摩擦电极；步骤(3)制备双面式摩擦纳米发电机将步骤(1)和步骤(2)中的双面式摩擦层和摩擦电极封装集成，依次层叠第一层摩擦层、摩擦电极层和第二层摩擦层，得到双面式摩擦纳米发电机。前述的摩擦纳米发电机的制备方法，步骤(1)中，针对分离式两层摩擦层，采用纳米压印技术分别在两层高分子聚合物表面制备纳米结构，然后将无结构面粘接在一起；针对一体式的双面摩擦层，采用光学曝光技术、干法刻蚀工艺结合双面压印技术一次成型双面纳米结构。前述的摩擦纳米发电机的制备方法，步骤(2)中，针对分离式两层摩擦层，采用电子束蒸镀技术在其中一层高分子聚合物背面镀导电层作为摩擦电极；针对一体式的双面摩擦层，在材料固化成型前将导电材料嵌入材料的中间，形成一层电极层，隔断两个摩擦面。前述的摩擦纳米发电机的制备方法，步骤(3)中，利用热固化聚二甲基硅氧烷(PDMS)或紫外光固化的巯基-烯(Thiol-ene)作为粘接材料，将两层摩擦层和摩擦电极集成封装。本专利技术与现有技术相比的优点在于：(1)本专利技术采用双面的摩擦层，可以收集不同方向的能量，同时在摩擦层表面上修饰凹凸的纳米结构，与人体摩擦的效果更好，实现了更高能量的输出。(2)本专利技术的构型多种多样，加工方法有很多种，灵活性高，工艺重复性好。(3)本专利技术提供的摩擦纳米发电机是柔性的，可以贴合在人体肌肤或穿戴在人体上，实现了随时随地为便携式电子产品供电的目的。附图说明图1是双面可穿戴的摩擦纳米发电机的示意图；图2是双面纳米柱阵列结构的摩擦纳米发电机制备流程图；图3是双面纳米尖阵列结构的摩擦纳米发电机的制备流程图；图4是制备的纳米柱阵列结构的显微镜照片。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面借由下述具体的实施方式，对本专利技术作进一步的详细说明。本专利技术是一种双面可穿戴的摩擦纳米发电机及其制备方法，采用表面修饰纳米结构的柔性高分子聚合物作为摩擦层，当本专利技术的摩擦发电机与人体皮肤有规律的接触分离时，在摩擦发电机的摩擦电极和大地之间的外电路中形成周期性的交流电流。本分明选用对人体无害的柔性高分子材料，可以穿戴在人体上，同时采用双面式的摩擦层，可以收集人体更多方向的机械能，实现发电机更高能量的输出。如图1所示，本专利技术一种具体实施方式的双面可穿戴的摩擦纳米发电机，包括依次层叠分布的第一高分子聚合物摩擦层1，摩擦电极层2，第二层高分子聚合物摩擦层3；两层高分子聚合物层的外表面上分别修饰有上纳米阵列结构4和下纳米阵列结构5。所述的两层高分子聚合物层的外表面与人体肌肤接触摩擦，并在摩擦电极层2产生静电电荷；所述的摩擦电极层2和人体为摩擦纳米发电机的电极，摩擦电极层2与大地之间形成外电路，输出电压和电流。本专利技术中第一层高分子聚合物1和第二层高分子聚合物3所选用的材料必须是柔性的，可以穿戴在人体上并对人体不产生危害和不适的材料，满足此条件的材料都在本专利技术的保护范围内，例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)、UV固化胶NOA61或巯基-烯(Thiol-ene)，厚度为0.1-2mm，第一高分子聚合物摩擦层1和第二层高分子聚合物摩擦层3所选用的材料可以是相同的，也可以是不同的。本专利技术优选第一高分子聚合物摩擦层1和第二层高分子聚合物摩擦层3的材质相同，优选高分子聚合物材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或巯基-烯(Thiol-ene)，厚度为1mm。本专利技术中摩擦层的外表面上分别修饰本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种双面可穿戴的摩擦纳米发电机，其特征在于：该摩擦纳米发电机包括：依次层叠分布的第一个高分子聚合物薄膜层，摩擦电极层以及第二个高分子聚合物摩擦薄膜层，人体作为第二电极，与大地相连接，两层摩擦薄膜都是由柔性的高分子聚合物形成，外表面上都修饰有纳米结构；所述的柔性高分子聚合物薄膜层可穿戴在人体上，与人体皮肤相互摩擦；所述摩擦电极层为摩擦纳米发电机的电压和电流输出电极。

【技术特征摘要】
1.一种双面可穿戴的摩擦纳米发电机，其特征在于：该摩擦纳米发电机包括：依次层叠分布的第一个高分子聚合物薄膜层，摩擦电极层以及第二个高分子聚合物摩擦薄膜层，人体作为第二电极，与大地相连接，两层摩擦薄膜都是由柔性的高分子聚合物形成，外表面上都修饰有纳米结构；所述的柔性高分子聚合物薄膜层可穿戴在人体上，与人体皮肤相互摩擦；所述摩擦电极层为摩擦纳米发电机的电压和电流输出电极。2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的高分子聚合物薄膜是双层的，与人体接触摩擦的摩擦面是双面式的。3.根据权利要求2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的高分子聚合物薄膜层两层是一体的或分离式的，所用材料是相同的或不同的；其中所采用的材料是柔性高分子聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、聚碳酸酯(PC)、UV固化胶NOA61或巯基-烯(Thiol-ene)，厚度为0.1-2mm。4.根据权利要求2所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的高分子聚合物薄膜外表面上修饰纳米结构，纳米结构尺寸为10-500nm，深度1-30μm，其中纳米结构是纳米尖、纳米针、纳米柱、纳米颗粒。5.根据权利要求1-4任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的摩擦电极层是第一电极，第二电极是人体皮肤或衣服纤维。6.根据权利要求1-4任一项所述的摩擦纳米发电机，其特征在于：所述的摩擦电极层选用导电材料，石墨烯、导电玻璃、金属或合金，其中金属是金、银、铝、镍、铜、铁、钛、钨，其中合金为上述金属的。7.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：张满，邓启凌，史立芳，秦燕云，曹阿秀，庞辉，
申请(专利权)人：中国科学院光电技术研究所，
类型：发明
国别省市：四川;51