基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机及制备方法、集成结构技术

本发明专利技术提供了一种基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机，包括：上摩擦层，包含：上绝缘层(200)，由柔性材料制备；上电极(100)，位于上绝缘层之上；下摩擦层，包含：衬底(400)，由柔性材料制备；下电极(300)，位于衬底之上，由褶皱的导电薄膜材料制备。褶皱的设计提高了摩擦面积和摩擦效应，使得相同面积的器件可以有更大的输出电压，在同样的空间结构中，有效提高了摩擦发电机的输出电压和输出功率，有利于将多个摩擦发电机进行集成和推广，上、下均为褶皱电极还提升了器件的延展性，从而拓宽了发电方式，不仅可以通过压力发电，还可以通过拉伸和弯曲发电，增强了器件的通用性，有助于拓宽摩擦发电机在复杂环境与人机界面方面的应用。

Friction generator based on folded conductive film and its preparation method and integrated structure

The present invention provides a friction generator, fold conductive film which is based on a friction layer, comprising: an insulating layer (200), a flexible material preparation; the upper electrode (100), located on the insulating layer; the friction layer comprises a substrate (400), a flexible material preparation; the lower electrode (300), located on the substrate by a conductive film material for preparation of fold. Fold design can improve the friction surface and the friction effect, the devices of the same size can have a larger output voltage, in the same space structure, effectively improve the friction generator output voltage and output power to a plurality of friction generators for integration and promotion, and also enhance the electrode are fold the ductility of the device, so as to broaden the way of power generation, not only through the pressure power generation, but also through the tensile and bending power, enhances the versatility of the device, helps to broaden the application of friction generator in the complex environment and the man-machine interface.

【技术实现步骤摘要】
基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机及制备方法、集成结构
本专利技术属于新能源
，涉及一种基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机及制备方法、集成结构。
技术介绍
能源是电子器件不可或缺的一部分，在电子器件向移动、便携、可穿戴方向发展的过程中，传统的能源技术比如锂电池已经无法满足需求，分布在世界各地的上万亿的电池的使用寿命有限，对电池的管理、替换、回收和再利用将成为一个艰巨的任务。作为下一代柔性电子器件的心脏，需要具有便携、可持续的特点，摩擦发电机(TriboelectricNanogenerator)的出现使其成为可能。摩擦发电机是一种新的能量收集方式，更是一种新的发电终端，是解决全球能源短缺、推动便携设备和自驱动系统发展的潜力股。现有的摩擦发电机存在的主要缺点有两个：一方面平面状的两种摩擦材料摩擦，摩擦面积相对较小，摩擦效应相对较弱，器件的输出性能包括输出电压和输出功率较低，不利于集成和推广；另一方面，器件整体不具有拉伸性能，当器件拉伸、弯曲时，发电机无法工作，通用性较差，这就限制了摩擦发电机在复杂环境和人机界面方面的应用。
技术实现思路
(一)要解决的技术问题本专利技术提供了一种基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。(二)技术方案根据本专利技术的一个方面，提供了一种基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机，包括：上摩擦层，包含：上绝缘层200，由柔性材料制备；上电极100，位于上绝缘层之上；下摩擦层，包含：衬底400，由柔性材料制备；下电极300，位于衬底之上，由褶皱的导电薄膜材料制备。优选地，上摩擦层与下摩擦层之间在空间结构上存在移动空间，能够在外力作用下产生接触摩擦、撤掉外力后二者分离开。优选地，褶皱的导电薄膜，其褶皱的形状满足：包含至少一个凸起或者凹槽，且该凸起或者凹槽大于材料本身的粗糙度。优选地，褶皱的导电薄膜，其褶皱的尺寸满足：凸起的波峰位置或者凹槽的波谷位置距离平整平面的垂直高度h满足：100nm≤h≤10μm；若干个凸起的相邻两个波峰或者凹槽的相邻两个波谷之间的距离D满足：100nm≤D≤10μm。优选地，上电极为平整的或者褶皱的导电薄膜。优选地，上电极100与下电极300的材料选用石墨烯、碳纳米管、金、银、铝、铂、铜或镍；和/或上绝缘层200与衬底400的材料选用聚二甲基硅氧烷、共聚酯、聚甲基硅树脂、氨基硅树脂和氟硅树脂中的一种或多种。优选地，上绝缘层200的厚度为：0.05mm～1mm。优选地，本专利技术的摩擦发电机还包括：连接件500，设置在上摩擦层与下摩擦层边缘两侧，连接件上方与上摩擦层中的上绝缘层200相连，下方与下摩擦层中的下绝缘层400相连，将所述上摩擦层与下摩擦层连接起来。优选地，上述连接件为弹性连接件，厚度为：0.5mm～10mm。根据本专利技术的另一个方面，还提供了一种制备基于褶皱的导电薄膜材料的摩擦发电机的方法，包括如下步骤：制备上摩擦层，包括：采用柔性材料制备上绝缘层；生长上电极，并把上电极转移至上绝缘层之上；制备下摩擦层，包括：采用柔性材料制备衬底；制备褶皱的导电薄膜，并把褶皱的导电薄膜转移至衬底之上。优选地，制备下摩擦层的步骤具体包括：生长电极材料；将电极材料转移到柔性聚合物上；将柔性聚合物上的电极材料转印到预拉伸的弹性胶带上；逐渐释放弹性胶带的应力，待弹性胶带回缩后，在电极材料表面形成褶皱形状，得到褶皱电极；在褶皱电极上涂一层柔性材料，加热固化成膜；将固化成膜的结构放入溶剂中，通过溶胀效应将弹性胶带上的褶皱电极转移到柔性衬底上，形成包含褶皱的导电薄膜的下摩擦层。优选地，弹性胶带能承受的温度高于80℃，其弹性模量在2～3Gpa。优选地，选用弹性胶带的型号为：3MVHB，预拉伸值δ满足：0＜δ≤1000％。优选地，用具有粘弹性的绝缘材料代替所述弹性胶带。优选地，柔性材料选用：聚二甲基硅氧烷、共聚酯、聚甲基硅树脂、氨基硅树脂和氟硅树脂中的一种或多种；和/或上述溶剂选用甲苯、丙酮或氯仿中的一种或多种。优选地，生长电极材料的方法为化学气相沉积技术或磁控溅射。根据本专利技术的又一个方面，提供了一种摩擦发电机集成结构，包括：M个如上所述的摩擦发电机和一种支撑结构700，M为集成个数；其中，所述支撑结构700包括两个平行树立的支柱，从这两个支柱上伸出来左右间隔错开排列的多个横向支撑架；上述每个摩擦发电机的上、下摩擦层分别与上述横向支撑架通过物理加固或者胶粘的方式进行对称分布。(三)有益效果从上述技术方案可以看出，本专利技术提出的基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机及其制备方法至少具有以下有益效果其中之一：1、褶皱的设计提高了摩擦面积和摩擦效应，使得相同面积的器件可以有更大的输出电压，在同样的空间结构中，有效提高了摩擦发电机的输出电压和输出功率，有利于将多个摩擦发电机进行集成和推广；2、上、下电极层都为褶皱状的结构还提升了器件的延展性，从而拓宽了发电方式，不仅可以通过压力发电，还可以通过拉伸和弯曲发电，增强了器件的通用性，有助于拓宽摩擦发电机在复杂环境与人机界面方面的应用。附图说明图1A和图1B分别为根据本专利技术实施例所作的基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机的剖面结构示意图。图2A和图2B分别为根据本专利技术实施例参照图1A和图1B所示的基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机所作的对应的立体结构示意图。图3为根据本专利技术实施例制备如图1A与图2A所示的基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机的方法流程图。图4为根据本专利技术实施例制备如图1B与图2B所示的基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机的方法流程图。图5为根据本专利技术实施例制备如图1A与图2A所示的基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机的过程中执行各步骤之后器件的结构示意图。图6为根据本专利技术实施例制备如图1B与图2B所示的基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机的过程中执行各步骤之后器件的结构示意图。图7为根据本专利技术实施例基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机含有同样器件面积，不同褶皱程度电极的输出电压曲线。图8为根据本专利技术实施例基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机在垂直方向上的集成化结构图。【附图主要元件符号说明】100-上电极；110-上电极平整导电薄膜；120-上电极褶皱导电薄膜；200-上绝缘层；300-下电极；310-下电极褶皱导电薄膜；400-衬底；500-连接件；510-弹性连接件；601-铜箔；602-平整石墨烯；603-柔性聚合物；604-预拉伸弹性胶带；605-回缩的弹性胶带；606-褶皱石墨烯；607-硅树脂薄膜；700-支撑结构。具体实施方式本专利技术提供了一种基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机及其制备方法，通过将摩擦发电机电极部分的导电薄膜材料制备成褶皱形状，与作为绝缘层的柔性衬底进行配合，提高了摩擦面积和摩擦效应，同时还还提升了器件的延展性，一方面有效提高了摩擦发电机的输出电压和输出功率，提高了器件的集成度与推广性；另一方面还拓宽了传统摩擦发电机的发电方式，通过压力、拉伸与弯曲等都可以发电，进一步增强了器件的通用性，有助于拓宽摩擦发电机在复杂环境与人机界面方面的应用。为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本专利技术作进一步详细说明。在本专利技术的第一个示例性实施例中，提供了一种基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机。图1A和图1B分别为根据本专利技术实施例所作的基于褶皱导电薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机，其特征在于，包括：上摩擦层，包含：上绝缘层(200)，由柔性材料制备；上电极(100)，位于上绝缘层之上；下摩擦层，包含：衬底(400)，由柔性材料制备；下电极(300)，位于衬底之上，由褶皱的导电薄膜材料制备。

【技术特征摘要】
1.一种基于褶皱导电薄膜的摩擦发电机，其特征在于，包括：上摩擦层，包含：上绝缘层(200)，由柔性材料制备；上电极(100)，位于上绝缘层之上；下摩擦层，包含：衬底(400)，由柔性材料制备；下电极(300)，位于衬底之上，由褶皱的导电薄膜材料制备。2.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，所述上摩擦层与所述下摩擦层之间在空间结构上存在移动空间，能够在外力作用下产生接触摩擦、撤掉外力后二者分离开。3.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，所述褶皱的导电薄膜，褶皱的形状满足：包含至少一个凸起或者凹槽，且该凸起或者凹槽大于材料本身的粗糙度。4.根据权利要求3所述的摩擦发电机，其特征在于，所述褶皱的导电薄膜，褶皱的尺寸满足：凸起的波峰位置或者凹槽的波谷位置距离平整平面的垂直高度h满足：100nm≤h≤10μm；若干个凸起的相邻两个波峰或者凹槽的相邻两个波谷之间的距离D满足：100nm≤D≤10μm。5.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，所述上电极为平整的导电薄膜或褶皱的导电薄膜。6.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，所述上电极(100)与下电极(300)的材料选用石墨烯、碳纳米管、金、银、铝、铂、铜或镍；和/或所述上绝缘层(200)与衬底(400)的材料选用以下群组中的一种或多种：聚二甲基硅氧烷、共聚酯、聚甲基硅树脂、氨基硅树脂和氟硅树脂。7.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，所述上绝缘层(200)的厚度为：0.05mm～1mm。8.根据权利要求1所述的摩擦发电机，其特征在于，还包括：连接件(500)，设置在上摩擦层与下摩擦层边缘两侧，连接件上方与上摩擦层中的上绝缘层(200)相连，下方与下摩擦层中的下绝缘层(400)相连，将所述上摩擦层与下摩擦层连接起来。9.根据权利要求8所述的摩擦发电机，其特征在于所述连接件为弹性连接件，厚度为：0.5mm～10mm。10.一种如权利...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐云，陈华民，宋国峰，甘巧强，江宇，白霖，
申请(专利权)人：中国科学院半导体研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11