一种可变形柔性纳米发电机、制备方法及制成的传感器技术

本发明专利技术涉及一种可变形柔性纳米发电机、制备方法及制成的传感器。本发明专利技术提供的可变形柔性纳米发电机，包括柔性封装结构和嵌入在柔性封装结构中的电极，其中，所述电极为由纳米导电材料聚集形成的图案电极；所述柔性封装结构采用可拉伸的弹性封装材料。本发明专利技术的柔性纳米发电机可以在双轴方向拉伸变形，其可以附着于规则或不规则的物体表面工作。本发明专利技术的技术方案使得该柔性纳米发电机可以拉抻、折叠、扭转等变形并承受极大机械形变和损坏而继续工作。

【技术实现步骤摘要】
一种可变形柔性纳米发电机、制备方法及制成的传感器
本专利技术主要涉及一种发电机领域，具体涉及一种可变形的柔性纳米发电机、制备方法及制成的传感器。
技术介绍
自2012年至今，基于静电感应摩擦效应的纳米发电机系统被广泛地研究和发展，已逐步发展出了一些高效稳定成熟的器件和技术，为新型能量来源提供了一种新的思维和导向。但是由于该种发电机需要与其他材料接触或摩擦来工作，而目前摩擦纳米发电机的器件主要为刚性结构，不可随意弯曲、拉伸或变形。这一特点不可避免地对纳米发电机的应用造成了较大的局限，使其无法广泛实施于不规则的物体之上或可穿戴领域等。具有特殊变形能力，如有弹性、易折叠、可拉抻的电子元器件一直以来都受到学术界和工业界研究人员的极大关注，并被认为是未来的下一代电子器件。这种可变形的电子器件在应用的时候有很大的自由度，因此可以在智能设备和传感器领域有更广的应用。如可拉抻电子器件可以比较均匀地覆盖在不规则的、软的、不固定物体甚至器官上，在可穿戴电子、生物可移植系统、个人安全、机器人人机对接和电子皮肤等领域有着广泛的应用前途。虽然之前有很多有变形能力的电子器件被广泛地制备和研究，但可靠的输出电源依然是目前最关键和重要的问题之一。最近摩擦纳米发电机(TENG)已经成功展示了可以将无处不在的机械能转化成电能的功效。曾经报道过用蜿蜒电极阵列和波浪结构聚酰亚胺薄膜制作的可作一定程度弯曲及拉抻的TENG。然而该种TENG由刚性材料制备而成，限制了其拉抻特性，并且不能多次折叠或进行复杂的形变，这将严重影响新型可穿戴领域能源材料的发展和研究。除此之外，在实际应用中，该种纳米发电机与柔性可变形器件连接在一块，由于杨氏模量不匹配，刚性材料和柔性材料的连接处存在着粘合不稳定的问题。
技术实现思路
针对现有技术所存在的上述问题，本专利技术旨在提供可变形的柔性纳米发电机、制备方法及制成的传感器，使得该柔性纳米发电机可以拉抻、弯折、扭转并承受极大机械形变和损坏或附着在规则或不规则的物体上，并将与其他材料接触摩擦和感应所产生的能量转换为电能输出。本专利技术提供一种可变形柔性纳米发电机，包括柔性封装结构和嵌入在柔性封装结构中的电极，其中，所述电极为由纳米导电材料聚集形成的图案电极；所述柔性封装结构采用可拉伸的弹性封装材料。优选的，所述电极连接至地、等电位或外部的导电体，物体与所述柔性封装结构接触分离过程中，在所述电极与地或等电位之间有电荷流动。优选的，所述外部的导电体为人体或者铜电极。优选的，其特征在于，包括多个所述电极。优选的，多个所述电极分别连接至地、等电位或外部的导电体。优选的，所述多个电极阵列式分布。优选的，所述纳米导电材料包括纳米碳管、碳渣、金属线纳米或金属颗粒或金属碎片。优选的，所述纳米导电材料为银纳米线，所述银纳米线的直径为100nm-10μm，长度为20-50μm。优选的，所述柔性封装结构的材料包括硅橡胶、硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、环氧树酯或Eco-flex。优选的，所述柔性纳米发电机的厚度为500nm-1cm。优选的，通过在所述图案电极上浇筑弹性封装材料的方式将所述电极嵌入所述封装结构。本专利技术还提供一种柔性传感器，包括上述任一项所述的纳米发电机。优选的，所述可变形柔性纳米发电机其附着于规则或不规则的物体表面工作。相应的，本专利技术还提供一种可变形柔性纳米发电机的制备方法，包括步骤：A0，将由纳米导电材料配成的溶液浇注入绘制好的电极图案模具中，干燥后得到纳米导电材料的图案电极；A1，将由柔性封装结构的材料配制成的凝胶浇注封装于所述纳米导电材料的图案电极上，并固化。优选的，所述步骤A1包括：将所述由柔性封装材料配制成的凝胶浇注于所述纳米导电材料的图案电极的一面，使得所述纳米导电材料的图案电极嵌入所述柔性封装材料中，固化；将所述纳米导电材料电极的一端用导线连接至地、等电位或外部的导电体；将所述由柔性封装材料配制成的凝胶浇注于所述纳米导电材料的图案电极的另一面，使得所述纳米导电材料的图案电极被封装于所述柔性封装材料中，固化后得到所述可变形柔性纳米发电机。优选的，所述柔性封装材料配制成的凝胶包括：将Eco-flex的A、B两种溶液以1:1的体积比混合均匀得到柔性封装结构材料凝胶。优选的，所述纳米导电材料包括碳纳米碳管、碳渣、纳米金属线、金属颗粒或金属碎片。优选的，所述柔性封装材料包括硅橡胶、硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、环氧树酯或Eco-flex。优选的，一面的柔性封装材料的厚度为400nm-2mm；固化后得到所述柔性纳米发电机的厚度为500nm-1cm。本专利技术的技术方案，提供的可变形柔性纳米发电机、制备方法及制成的传感器，使得该柔性纳米发电机可以拉抻、弯折、扭转等变形，并可承受极大机械形变和损坏或可附着在规则或不规则的物体上，并将与其他材料接触摩擦和感应所产生的能量转换为电能输出。本专利技术提供的可变形柔性纳米发电机性能稳定、持久耐用，并且制备方法简单，在柔性期间领域有广阔的应用前景。附图说明图1为本专利技术提供的可拉伸柔性纳米发电机的结构示意图；图2为可拉伸柔性纳米发电机中包括多个电极的结构示意图；图3为制备本专利技术提供的可拉伸柔性纳米发电机的流程示意图；图4a为可拉伸柔性纳米发电机在长轴方向发生变形时的电流输出示意图；图4b为可拉伸柔性纳米发电机在短轴方向发生变形时的电流输出示意图；图5为可拉伸柔性纳米发电机在发生扭转变形时的电流输出示意图；图6为可拉伸柔性纳米发电机在发生折叠变形时的电流输出示意图；以及图7为可拉伸柔性纳米发电机在发生剪切损坏或同事剪切损坏与拉伸产生应变时的电流输出示意图。具体实施方式以下结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式进行更加详细的说明，以便能够更好地理解本专利技术的方案以及各个方面的优点。然而，以下描述的具体实施方式和实施例仅是说明的目的，而不是对本专利技术的限制。本专利技术通过多次研究试验，专利技术了一种可变形柔性纳米发电机、其制备方法及制成的传感器。可变形柔性纳米发电机的典型结构参见图1，包括柔性封装结构1和嵌入在柔性封装结构1中的电极2，其中，电极2为由纳米导电材料聚集形成的图案电极；柔性封装结构1采用可拉伸的弹性封装材料。由于电极采用纳米导电材料聚集形成、柔性封装结构采用可拉伸的弹性材料，使得可变形柔性纳米发电机本身具有全柔性和可拉抻性，可以在双轴方向伸缩并适应各种形状物体，尤其在可穿戴领域，可以附着在任何形状物体的表面，与其他物体感应，接触和摩擦而产生电能。可以将电极2连接至地、等电位或外部的导电体3，其他物体与柔性封装结构1接触分离过程中，在所述电极与地或等电位之间有电荷流动。可变形柔性纳米发电机的发电机原理为单电极模式，即纳米发电机外部的其他物体与封装结构1的材料表面摩擦感应，在封装结构1表面产生电荷，使得内部的电极2感应产生相反的电荷，在电极2与地3之间可以通过整流部件进行定向移动，形成电流输出，实现发电。外部的导电体可以为人体或者铜电极，可以将本专利技术的柔性纳米发电机贴附在人体关节等可运动部位，收集人体运动的能量转变为电能。本专利技术中柔性纳米发电机的电极的纳米导电材料可为银纳米线、碳纳米管、碳渣、纳米金属线、金属颗粒或金属碎片等；柔性封装结构的材料可以是硅橡胶、硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、环氧树酯或Eco-flex。通本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种可变形柔性纳米发电机，其特征在于，包括柔性封装结构和嵌入在柔性封装结构中的电极，其中，所述电极为由纳米导电材料聚集形成的图案电极；所述柔性封装结构采用可拉伸的弹性封装材料。

【技术特征摘要】
1.一种可变形柔性纳米发电机，其特征在于，包括柔性封装结构和嵌入在柔性封装结构中的电极，其中，所述电极为由纳米导电材料聚集形成的图案电极；所述柔性封装结构采用可拉伸的弹性封装材料。2.根据权利要求1所述的纳米发电机，其特征在于，所述电极连接至地、等电位或外部的导电体，物体与所述柔性封装结构接触分离过程中，在所述电极与地或等电位之间有电荷流动。3.根据权利要求2所述的纳米发电机，其特征在于，所述外部的导电体为人体或者铜电极。4.根据权利要求1-3任一项所述的柔性纳米发电机，其特征在于，包括多个所述电极。5.根据权利要求4所述的柔性纳米发电机，其特征在于，多个所述电极分别连接至地、等电位或外部的导电体。6.根据权利要求5所述的柔性纳米发电机，其特征在于，所述多个电极阵列式分布。7.根据权利要求1-6任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述纳米导电材料包括纳米碳管、碳渣、金属线纳米或金属颗粒或金属碎片。8.根据权利要求1-6任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述纳米导电材料为银纳米线，所述银纳米线的直径为100nm-10μm，长度为20-50μm。9.根据权利要求1-8任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述柔性封装结构的材料包括硅橡胶、硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、环氧树酯或Eco-flex。10.根据权利要求1-9任一项所述的纳米发电机，其特征在于，所述柔性纳米发电机的厚度为500nm-1cm。11.根据权利要求1-10任一项所述的纳米发电机，其特征在于，通过在所述图案电极上浇筑弹性封装材料的方式将所述电极嵌入所述封装结构。12.一种柔性传感器，其特征在于，包括...

【专利技术属性】
技术研发人员：赖盈至，邓佳楠，文震，王中林，
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