摩擦纳米发电机、可穿戴传感器及其制备方法技术

摩擦纳米发电机、可穿戴传感器及其制备方法，其中，摩擦纳米发电机包括基底、第一摩擦层和第二摩擦层，其中：基底为纳米纤维膜；第一摩擦层为电极材料，印刷于基底表面以形成导电网络；第二摩擦层为纳米纤维膜，设置于第一摩擦层的上方；第一摩擦层和第二摩擦层在外界作用下切换接触/分离状态或改变接触面积。由于基底及第二摩擦层采用纳米纤维膜，因此透气性能好、结构柔软，相较于现有方案，能很好的满足可穿戴电子设备的要求；且纳米纤维膜表面具有微纳米结构，其有利于基底表面电极材料的附着，能够提高器件的灵敏度，而由于宏观上相对光滑，因此可实现精细化电极的印刷。

【技术实现步骤摘要】
摩擦纳米发电机、可穿戴传感器及其制备方法
本公开属于传感器和绿色新能源领域；更具体地涉及一种摩擦纳米发电机、可穿戴传感器及其制备方法。
技术介绍
现代科技的发展促使越来越多的可穿戴电子设备走进人们的生活，如智能眼镜、运动手环、健康监测传感器等。摩擦纳米发电机，不仅可以收集环境中的机械能作为能源使用，还能将机械能转化为电能的信号，作为传感器的使用。但是目前得摩擦纳米发电机采用的材料大部分都是塑料，在透气性方面有很大的缺陷，作为可穿戴设备时舒适度较低。此外，目前有一部分采用布料做可编织的摩擦纳米发电机，以收集人体机械能，但是由于电极的存在及摩擦材料的选择，所制备的可穿戴器件在舒适度上仍面临很大的挑战。总的来说，摩擦材料和电极材料的不透气性极大的限制了目前可穿戴设备上的应用。再者，目前的电极材料大部分为金属材料如铝箔、铜箔或氧化铟锡等，其在不断弯曲的过程中容易产生裂纹发生断裂，而又由于电极材料在电子设备中有着十分重要的地位，因此现有的电极材料在做柔性电极时有很大的局限性。印刷电子技术在构筑导电网络、制备图案化电极等方面有很大的优势。但是一般材料的表面印刷电极存在两个难点，一是印刷基底表面的光滑度低，二是印刷的电极材料与基底材料的附着力弱。而高的加工精度对材料表面的平滑度有很大的要求。此外，虽然基底材料表面的微纳米结构有利于提高印刷电极和基底之间的结合力，同时能够提高传感器件的灵敏度，但目前大部分印刷材料的基底材料为不透气的，作为可穿戴产品有很大的局限性，皮肤长时间的与这种不透气的材料接触的时候会引发炎症等疾病。因此，基底材料的透气性对制备透气性的电极起着至关重要的作用。公开内容基于以上问题，本公开的主要目的在于提出一种摩擦纳米发电机、可穿戴传感器及其制备方法，用于解决以上技术问题的至少之一。为了实现上述目的，作为本公开的一个方面，提出一种摩擦纳米发电机，包括基底、第一摩擦层和第二摩擦层，其中：基底为纳米纤维膜；第一摩擦层为电极材料，印刷于基底表面以形成导电网络；第二摩擦层为纳米纤维膜，设置于第一摩擦层的上方；第一摩擦层和第二摩擦层在外界作用下切换接触/分离状态或改变接触面积。在本公开的一些实施例中，上述纳米纤维膜的材质为高分子材料，包括聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和/或聚酰胺。在本公开的一些实施例中，上述纳米纤维膜的厚度不大于50μm；该纳米纤维膜中纤维的直径小于600nm。在本公开的一些实施例中，上述电极材料为导电纳米材料，包括金属纳米颗粒、金属纳米线、碳纳米管和/或石墨烯；其中，所述金属纳米颗粒与金属纳米线采用的金属包括金、银、铜、铝或镍。在本公开的一些实施例中，上述第二摩擦层为拱形结构，其两端固定于基底表面；在外界作用下，第二摩擦层的弧形部分结构和第一摩擦层接触/分离。在本公开的一些实施例中，上述电极材料的厚度为5～30μm，以保证良好的导电性。为了实现上述目的，本公开还提出一种可穿戴传感器，包括上述的摩擦纳米发电机。为了实现上述目的，作为本公开的另一个方面，本公开提出一种摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：在纳米纤维膜构成的基底上印刷电极材料，形成导电网络，以作为第一摩擦层；设置另一纳米纤维膜于第一摩擦层的上方，以作为第二摩擦层，且使第二摩擦层与所述第一摩擦层不相接触或不完全接触，完成摩擦纳米发电机的制备；第一摩擦层和第二摩擦层可在外界作用下切换接触/分离状态或改变接触面积。在本公开的一些实施例中，构成基底的纳米纤维膜和作为第二摩擦层的另一纳米纤维膜为预先通过静电纺丝或熔融纺丝制备得到的。在本公开的一些实施例中，上述的摩擦纳米发电机的制备方法，在印刷电极材料之前还包括以下步骤：静电纺丝或熔融纺丝形成纳米纤维膜构成的基底；和/或在印刷电极材料之后、间隔设置另一纳米纤维膜之前还包括以下步骤：静电纺丝或熔融纺丝形成另一纳米纤维膜。在本公开的一些实施例中，上述电极材料为导电纳米材料，包括金属纳米颗粒、金属纳米线、碳纳米管和/或石墨烯；其中，所述金属纳米颗粒与金属纳米线采用的金属包括金、银、铜、铝或镍。在本公开的一些实施例中，上述纳米纤维膜的材质为高分子材料，包括聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和/或聚酰胺。在本公开的一些实施例中，上述纳米纤维膜的厚度不大于50μm；所述纳米纤维膜中纤维的直径小于600nm。在本公开的一些实施例中，上述在纳米纤维膜构成的基底上印刷电极材料时，采用丝网印刷或喷墨打印的印刷方式。在本公开的一些实施例中，上述第二摩擦层为拱形结构，其两端固定于所述基底表面；使用时，第二摩擦层的弧形部分结构和第一摩擦层在外界作用下接触/分离产生感应电荷。在本公开的一些实施例中，上述第二摩擦层可由基底层的一部分折叠形成；则电极材料印刷于基底上、靠近一侧边的部分区域；基底、未印刷有电极材料的区域折叠形成第二摩擦层。本公开提出的摩擦纳米发电机、可穿戴传感器及其制备方法，具有以下有益效果：1、由于基底及第二摩擦层采用纳米纤维膜，因此透气性能好，结构柔软，相较于现有方案，能够很好的满足可穿戴电子设备的要求；且由于纳米纤维膜表面为微纳米结构，因此，其有利于基底表面电极材料的附着，能够提高器件的灵敏度；再者，由于宏观上表面相对光滑，因此可以实现精细化电极的印刷；2、由于纳米纤维膜的材质为柔性材料，且其作为基底和第二摩擦层的厚度不大于50μm，从而能够保证摩擦纳米发电机的良好透气性，且由于还具有轻薄的特性，无论是实体物质的按压还是较大气流的压力，都可使摩擦纳米发电机工作，因此，本公开的摩擦纳米发电机具有很高的灵敏度；再者，由于纳米纤维膜中纤维的直径小于600nm，因此能够保证基底表面具有良好的平整度，从而进一步促进基底表面电极材料的附着；3、电极材料采用导电纳米材料，例如Ag纳米颗粒，从而在具有微纳米结构的基底表面形成导电网络，因此，在摩擦纳米发电机工作过程中，电极材料不会因为不断弯曲而发生裂纹或者甚至断裂，从而使得本公开的摩擦纳米发电机更适合作为可穿戴电子设备；4、由于电极材料的厚度约为10μm，因此能够保证其良好的导电性及透气性，且由于采用印刷方式形成电极材料，因此电极材料的尺寸及形状具有可设计性，从而实现可穿戴传感器的设计多样性；5、本公开的可穿戴传感器，由于基于摩擦纳米发电机进行设计，因此能够自供能，可直接将机械能等转化为电信号，因此在健康监测方法具有绝对的优势；6、将静电纺丝技术与丝网印刷技术结合制备摩擦纳米发电机和可穿戴传感器，因此本公开提出的制备方法具有制备工艺成熟、选材广泛、成本低、实用性强及可大规模生产等优点。附图说明图1是本公开提出的摩擦纳米发电机的工作原理图。图2是本公开一实施例提出的摩擦纳米发电机的结构示意图。图3是本公开一实施例提出的摩擦纳米发电机中作为基底的纳米纤维膜表面的形貌图。图4是本公开一实施例中印刷的高精度电极阵列的光学照片。图5是本公开一实施例提出的摩擦纳米发电机的加工流程图。图6是本公开一实施例提出的可穿戴传感器的透气性测试结果与其他材料透气性测试结果的对比图。具体实施方式为使本公开的目的、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，对本公开作进一步的详细说明。静电纺纳米纤维膜因为其柔软透气等亲肤本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种摩擦纳米发电机，包括基底、第一摩擦层和第二摩擦层，其中：所述基底为纳米纤维膜；所述第一摩擦层为电极材料，印刷于所述基底表面以形成导电网络；所述第二摩擦层为纳米纤维膜，设置于所述第一摩擦层的上方；所述第一摩擦层和第二摩擦层在外界作用下切换接触/分离状态或改变接触面积。

【技术特征摘要】
1.一种摩擦纳米发电机，包括基底、第一摩擦层和第二摩擦层，其中：所述基底为纳米纤维膜；所述第一摩擦层为电极材料，印刷于所述基底表面以形成导电网络；所述第二摩擦层为纳米纤维膜，设置于所述第一摩擦层的上方；所述第一摩擦层和第二摩擦层在外界作用下切换接触/分离状态或改变接触面积。2.根据权利要求1所述的摩擦纳米发电机，其中：所述纳米纤维膜的材质为高分子材料，包括聚偏氟乙烯、聚丙烯腈、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和/或聚酰胺；和/或所述纳米纤维膜的厚度不大于50μm；所述纳米纤维膜中纤维的直径小于600nm。3.根据权利要求1或2所述的摩擦纳米发电机，其中：所述电极材料为导电纳米材料，包括金属纳米颗粒、金属纳米线、碳纳米管和/或石墨烯；其中所述金属纳米颗粒与金属纳米线采用的金属包括金、银、铜、铝或镍。4.根据权利要求1至3中任一项所述的摩擦纳米发电机，其中：所述第二摩擦层为拱形结构，其两端固定于所述基底表面；在外界作用下，所述第二摩擦层的弧形部分结构和第一摩擦层接触/分离。5.根据权利要求1至4中任一项所述的摩擦纳米发电机，其中：所述第一摩擦层的厚度为5～30μm。6.一种可穿戴传感器，包括权利要求1至5中任一项所述的摩擦纳米发电机。7.一种摩擦纳米发电机的制备方法，包括以下步骤：在纳米纤维膜构成的基底上印刷电极材料，形成导电网络，以作为第一摩擦层；设置另一纳米纤维膜于所述第一摩擦层的上方，以作为第二摩擦层，且使所述第二摩擦层与所述第一摩擦层不相接触或不完全接触，完成所述摩擦纳米发电机的制备；所述第一摩擦层和第二摩擦层可在外界作用下切换接...

【专利技术属性】
技术研发人员：李从举，曹冉，胥伟华，
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