一种高性能的摩擦发电机及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高性能的摩擦发电机及其制备方法，该摩擦发电机包括依次层叠的聚合物薄膜和导电电极，以及依次层叠的聚合物绝缘层、导电电极和聚合物薄膜。该摩擦发电机的制备方法为利用单步氟碳等离子体处理工艺，在聚合物表面形成微纳结构，同时进行化学改性，从而极大的增强了被处理材料的摩擦带电能力。本发明专利技术摩擦发电机制备方法简单，易于大规模生产，并可有效的提高摩擦式发电机的输出性，具备为可穿戴设备、微型电子器件供电的能力。

【技术实现步骤摘要】
一种高性能的摩擦发电机及其制备方法
本专利技术涉及发电机
，特别涉及一种高性能的摩擦发电机及其制备方法。
技术介绍
从生活环境中采集能量，被广泛视为实现绿色能源和能源可持续发展的有效途径，将有望在无线传输系统、植入式医疗器件、乃至消费类电子的供能中发挥重要作用。基于摩擦起电与静电感应原理，通过简单低成本的加工制备的微型摩擦发电机可以完成对周围环境机械能的高效率采集，实现高输出功率密度和能量转换效率。而现有摩擦发电机的输出具有高输出电压、低输出电流的特点，这使得能量转换变得极其困难，从而限制了其实际应用价值。另一方面，其表面电荷密度较低，单次作用转移的电量少，从而使得其能量转换效率仍然比较低。故如何通过简单而低成本的加工方法来实现高输出性能，高表面电荷密度的摩擦发电机显得十分重要。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：提供一种高性能的摩擦发电机及其制备方法，利用两种柔性材料对电荷束缚能力的差异构成摩擦型能量采集器，通过在聚合物表面进行单步等离子体处理，可在该聚合物上形成特殊的多尺度结构，再通过在聚合物上制备导电电极将电荷传导出去，利用简单合理的外电路设计，可高效地为电容器充电，从而将电能存储下来，并提供高电压和高电流输出。本专利技术提供的一种高性能的摩擦发电机，有电极的衬底材料和有摩擦层的三明治结构。进一步，所述有电极的衬底材料为依次层叠的聚合物薄膜和导电电极；所述有摩擦层的三明治结构为依次层叠的聚合物绝缘层、导电电极和聚合物薄膜。进一步，所述聚合物薄膜和聚合物绝缘层为两种不同的柔性绝缘材料，所述柔性绝缘材料包括聚乙烯(polyethylene，PE)、聚氯乙烯(polyvinylchloridepolymer，PVC)聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、聚酰亚胺(polymide，PI)、聚对二甲苯(parylene)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)薄膜。进一步，所述导电电极为电阻率小于1000Ω·m的铝或铜或银或金或铟锡金属氧化物(ITO)或石墨烯或碳纳米管或苯乙烯磺酸(PEDOT-PSS)。本专利技术还提供一种高性能的摩擦发电机的制备方法，包括如下步骤：S10)通过在聚合物薄膜的一个表面镀上一层导电电极，制备2个有电极的衬底材料；S20)利用旋涂技术在其中一个衬底材料的有电极的一面旋涂摩擦层聚合物材料，并将所述摩擦层聚合物材料烘干成膜，制备有摩擦层的三明治结构。进一步，所述步骤S20)还包括：在所述另一种聚合物材料烘干之前进行氟碳等离子体处理。进一步，所述氟碳等离子体处理采用的仪器为反应离子刻蚀机(ReactiveIonEtching,RIE)或感应耦合等离子体刻蚀机(InductivelyCoupledPlasma，ICP)。进一步，所述聚合物薄膜为柔性绝缘材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate,PET)、有机玻璃等。进一步，所述另一种聚合物材料为聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)或聚酰亚胺(polymide，PI)或聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)。进一步，所述步骤S20)之后，还包括步骤S30)利用支撑框架或形成拱形结构将有电极的衬底材料和有摩擦层的三明治结构组装成摩擦发电机。进一步，所述支撑框架为铝片或铜片或聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(polyethyleneterephthalat，PET)或有机玻璃(polymethylmethacrylate，PMMA)及弹簧的组合结构。本专利技术具有如下有益技术效果：1、本专利技术的高性能摩擦发电机与基于压电、电磁式的微型能量采集器相比，具有柔性高，且不需要功能材料就可实现能量转换，并且具有能量转换效率高的特点；2、应用本专利技术的制备方法可适用于多种形式的摩擦发电机的生产，且生产的摩擦发电机柔性高、输出能力强。附图说明此处所说明的附图用来提供对本专利技术的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本专利技术的不当限定，在附图中：图1为本专利技术实施例1一种高性能的摩擦发电机的结构示意图；图2为本专利技术实施例2一种高性能的摩擦发电机的制备方法流程示意图；图3为本专利技术实施例3一种高性能的摩擦发电机的制备方法流程示意图。具体实施方式下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本专利技术，在此本专利技术的示意性实施例以及说明用来解释本专利技术，但并不作为对本专利技术的限定。图1为本专利技术一种高性能的摩擦发电机的结构示意图。实施例1：参见图1所示，本实施例为本专利技术一种高性能摩擦发电机为接触分离式结构，包括依次层叠的聚合物薄膜1和导电电极2，以及依次层叠的聚合物绝缘层3、导电电极2和聚合物薄膜1。优选地，所述聚合物薄膜1和聚合物绝缘层3为柔性绝缘材料，所述柔性绝缘材料包括聚乙烯(polyethylene，PE)、聚氯乙烯(polyvinylchloridepolymer，PVC)聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、聚酰亚胺(polymide，PI)、聚对二甲苯(parylene)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)薄膜等。优选地，所述导电电极2为电阻率小于1000Ω·m的金属如铝、铜、银、金或半导体材料包括铟锡金属氧化物(ITO)以及新型导电电极如石墨烯、碳纳米管和苯乙烯磺酸(PEDOT-PSS)。需要说明的是，本实施例中，聚合物薄膜1和导电电极2可以是集成一体的有电极的衬底材料；聚合物绝缘层3、导电电极2和聚合物薄膜1可以是集成为一体的带有摩擦层的三明治结构。可选的，还包括起支撑作用的支撑框架，利用该支撑支架可将有电极的衬底材料和带有摩擦层的三明治结构组装为摩擦发电机。也可直接利用衬底材料本身形成拱形结构作为支撑框架，或者当本专利技术摩擦发电机作为植入设备时，可将被植入设备作为支撑框架。支撑框架的材质可以是有一定强度的金属或聚合物材料如铝片、铜片、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(polyethyleneterephthalat，PET)、有机玻璃(polymethylmethacrylate，PMMA)及弹簧的组合结构。实施例2：图2为本实施例一种高性能的摩擦发电机的制备方法流程示意图。参照图2所示，本专利技术一种高性能摩擦发电机的制备方法，具体加工步骤如下：步骤S10：通过在聚合物薄膜的一个表面镀上一层导电电极，制备2个有电极的衬底材料。优选地，该步骤S10)中，所述聚合物薄膜为柔性绝缘材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯(polyethyleneterephthalate,PET)、有机玻璃等。优选地，该步骤S10)中，导电电极采用有较强导电能力的金属如铝、铜、银、金或半导体材料包括铟锡金属氧化物(ITO)以及新型导电电极如石墨烯、碳纳米管和苯乙烯磺酸(PEDOT-PSS)。步骤S20：利用旋涂技术在其中一个有电极的衬底材料有导电电极的一面旋涂摩擦层聚合物材料，并将所述摩擦层聚合物材料烘干成膜，制备有摩擦层的三明治结构。优选地，该步骤S20)中，所述摩擦层聚合物材料为能够通过旋涂成膜且不同于所述聚合物薄膜的另一种聚合物材料，如聚二甲基硅氧烷(polydimethylsil本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种高性能的摩擦发电机，其特征在于，包括有电极的衬底材料和有摩擦层的三明治结构。

【技术特征摘要】
1.一种高性能的摩擦发电机，其特征在于，包括有电极的衬底材料和有摩擦层的三明治结构，所述三明治结构包括集成为一体的聚合物绝缘层、导电电极和聚合物薄膜，所述聚合物绝缘层为利用旋涂技术在其中一个衬底材料的有电极的一面旋涂摩擦层聚合物材料制作，并且在所述摩擦层聚合物材料烘干之前进行氟碳等离子体处理，再将氟碳等离子体处理后的所述摩擦层聚合物材料烘干成膜；利用支撑框架或形成拱形结构将有电极的衬底材料和有摩擦层的三明治结构组装成摩擦发电机，所述支撑框架为铝片或铜片或聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(polyethyleneterephthalat，PET)或有机玻璃(polymethylmethacrylate，PMMA)及弹簧的组合结构；所述有电极的衬底材料为依次层叠的聚合物薄膜和导电电极；所述有摩擦层的三明治结构为依次层叠的聚合物绝缘层、导电电极和聚合物薄膜；所述导电电极为电阻率小于1000Ω·m铝或铜或银或金或铟锡金属氧化物(ITO)或石墨烯或碳纳米管或苯乙烯磺酸(PEDOT-PSS)。2.根据权利要求1所述的高性能的摩擦发电机，其特征在于，所述聚合物薄膜、聚合物绝缘层为柔性绝缘材料，所述柔性绝缘材料包括聚乙烯(polyethylene，PE)、聚氯乙烯(polyvinylchloridepolymer，PVC)聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane，PDMS)、聚酰亚胺(polymide，PI)、聚对二甲苯(parylene)、聚四氟乙烯(polytetrafluoroethylene，PTFE)薄膜。3.一种高性能的摩擦发电机的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S10)通过在聚合物薄膜的一个表面镀上一层导电电极，制备2个有电极的衬底...

【专利技术属性】
技术研发人员：张海霞，程晓亮，孟博，韩梦迪，陈号天，苏宗明，
申请(专利权)人：北京大学，
类型：发明
国别省市：北京;11