基于液态金属电极的可拉伸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基于液态金属电极的可拉伸摩擦纳米发电机，包括：可拉伸摩擦层，其内限定一封闭腔体；液态金属电极，其是由液态金属填充在所述封闭腔体内而形成；和导线，其一端与所述液态金属电极相接触，另一端由所述可拉伸摩擦层伸出以连接外电路；其中，所述可拉伸摩擦层与待接触物体发生摩擦以产生电荷，并在所述可拉伸摩擦层与所述待接触物体分开和/或再接触时诱导所述液态金属电极发生电荷流动，从而产生电信号，并通过所述导线输出所述电信号；其中，所述液态金属的材料选择成在常温下呈液态的合金或金属。本发明专利技术中摩擦纳米发电机不会产生由于长期的机械运动造成形变难以恢复，材料磨损等问题。

【技术实现步骤摘要】
基于液态金属电极的可拉伸摩擦纳米发电机及其制备方法
本专利技术涉及摩擦纳米发电机领域，特别是涉及一种基于液态金属电极的可拉伸摩擦纳米发电机及其制备方法。
技术介绍
随着社会的进步和人们生活水平的提高，柔性电子器件和智能可穿戴产品受到了越来越多的关注。人工电子皮肤、柔性触摸显示屏、智能手表、健康和运动监测产品等出现在人们的工作和生活中。这些柔性电子器件需要有配套的电池才能够正常工作，而目前的电池不仅不具备自充电功能，而且续航时间短，这大大限制了柔性电子器件的实际应用效果。目前最广泛的应用是将光伏太阳能电池模块和超级电容器或锂离子电池等结合，使得能量收集器件和高能量的存储设备直接集成应用到可穿戴电子系统中。然而，太阳能电池的工作条件取决于天气情况和昼夜交替等外界因素，因此，太阳能电池在长时间持续供电方面有很大的局限性。摩擦纳米发电机的诞生为这些问题提供了有效的解决途径。凭借着质量轻、体积小、结构简单、集成度高、用材便宜、可收集多样运动模式等优点，摩擦纳米发电机在用于人类机械运动能量收集上展现了巨大的优势。它通过收集人体不规则运动产生的机械能并将其转化为电能，可以实现随时随地为可穿戴电子设备供能。摩擦纳米发电机主要由摩擦材料和电极材料两部分组成，因此在制备可拉伸摩擦纳米发电机的过程中，需要寻求柔性的摩擦材料和电极材料。对于电极材料来说，传统的电极材料多采用金属箔或其他硬性材料，而这些材料在可穿戴设备的应用中会受到极大的限制。由于在长期的摩擦或者弯折过程中，这些硬性材料将会发生不可逆转的形变或者损坏，对可穿戴设备的供电将会有很大局限性。
技术实现思路
本专利技术的专利技术人详细分析已有柔性电子器件的缺陷，并对现有的摩擦材料进行仔细研究，发现为了满足柔性电子器件对电源柔性的特殊要求，需要开发一种可拉伸的摩擦纳米发电机，以作为柔性电子器件的电源。而现有的摩擦纳米发电机中大多为硬质材料，所以可拉伸摩擦纳米发电机对寻找可拉伸摩擦材料和可拉伸电极提出了一种新的挑战。专利技术人经过大量实验发现，有机硅橡胶具有良好的摩擦输出性能，液态金属可以满足可拉伸电极的要求。本专利技术一个目的是要克服现有的摩擦纳米发电机电极材料易于损坏的缺点，将液态金属作为摩擦纳米发电机的电极材料。通过将液态金属注射进密封好的有机硅橡胶腔体中，制成单电极模式的摩擦纳米发电机。该过程操作简单，无毒性且可实现大规模生产。本专利技术的一个进一步的目的是满足当代社会对于便携式可穿戴电子设备的供电需求，研发一种可拉伸摩擦纳米发电机作为可穿戴电子设备的电源。该可拉伸摩擦纳米发电机可以收集人体运动所产生的机械能，并将其转化为电能，为电子器件供电。特别地，本专利技术提供了一种基于液态金属电极的可拉伸摩擦纳米发电机，包括：可拉伸摩擦层，其内限定一封闭腔体；液态金属电极，其是由液态金属填充在所述封闭腔体内而形成；和导线，其一端与所述液态金属电极相接触，另一端由所述可拉伸摩擦层伸出以连接外电路；其中，所述可拉伸摩擦层与待接触物体发生摩擦以产生电荷，并在所述可拉伸摩擦层与所述待接触物体分开和/或再接触时诱导所述液态金属电极发生电荷流动，从而产生电信号，并通过所述导线输出所述电信号；其中，所述液态金属的材料选择成在常温下呈液态的合金或金属。进一步地，所述可拉伸摩擦层包括：第一摩擦层，其内具有从所述第一摩擦层的表面开始沿其厚度方向延伸的第一凹部；和第二摩擦层，其内具有从所述第二摩擦层的表面开始沿其厚度方向延伸的第二凹部；其中，所述第一摩擦层的表面设置成紧贴在所述第二摩擦层的表面，以使得所述第一凹部和所述第二凹部一起限定形成所述可拉伸摩擦层的封闭腔体。进一步地，所述可拉伸摩擦层包括：摩擦层本体，其构造成空心管状，用于在其内填充所述液态金属；和两个端部，其分别位于所述摩擦层本体的两端，用于密封所述摩擦层本体。进一步地，所述摩擦纳米发电机的数量为多个，各个摩擦纳米发电机之间交错换位呈编织状排布，以形成编织状摩擦纳米发电机。进一步地，所述可拉伸摩擦层构造成空心环状，用于在其内填充所述液态金属。进一步地，所述可拉伸摩擦层的材料选择成硅橡胶材料，用于与待接触物体发生摩擦，以产生电荷，进而诱导所述液态金属电极发生电荷流动；其中，所述液态金属选自镓铟锡合金或汞。特别地，本专利技术还提供了一种基于液态金属电极的可拉伸摩擦纳米发电机的制备方法，包括如下步骤：将预定比例的可拉伸摩擦层前驱体和固化剂均匀混合；将混合后的可拉伸摩擦层前驱体和固化剂置入模具中进行固化，以形成可拉伸摩擦层，所述可拉伸摩擦层内限定一封闭腔体；将导线插入所述可拉伸摩擦层中，使得所述导线的一端伸入所述封闭腔体，另一端由所述可拉伸摩擦层伸出；向所述封闭腔体内注入液态金属，以形成液态金属电极。进一步地，将混合后的可拉伸摩擦层前驱体和固化剂置入模具中进行固化，以形成可拉伸摩擦层，包括如下步骤：将混合后的可拉伸摩擦层前驱体和固化剂置入模具中进行固化，以形成第一摩擦层，所述第一摩擦层内具有从其表面开始沿其厚度方向延伸的第一凹部；将混合后的可拉伸摩擦层前驱体和固化剂置入模具中进行固化，以形成第二摩擦层，所述第二摩擦层内具有从其表面开始沿其厚度方向延伸的第二凹部；将所述第一摩擦层的表面设置成紧贴在所述第二摩擦层的表面，以使得所述第一凹部和所述第二凹部一起限定形成所述可拉伸摩擦层的封闭腔体。进一步地，将混合后的可拉伸摩擦层前驱体和固化剂置入模具中进行固化，以形成可拉伸摩擦层，包括如下步骤：将混合后的可拉伸摩擦层前驱体和固化剂置入模具中进行固化，以形成空心管状的摩擦层本体，所述空心管状的内腔构成所述封闭腔体；将所述摩擦层本体的两端分别进行密封。可选地，所述方法还包括以下步骤：将各个摩擦纳米发电机之间交错换位呈编织状排布，以形成编织状摩擦纳米发电机。进一步地，所述可拉伸摩擦层为空心环状，所述空心环状的内腔构成所述封闭腔体。本专利技术中采用液态金属作为电极材料，与传统的电极材料相比，不会产生由于长期的机械运动造成形变难以恢复，材料磨损等问题。本专利技术中采用的硅橡胶作为摩擦层，其拉伸性能良好，并且制作过程简单可控，适合运用于可穿戴电子设备。本专利技术提出的可拉伸摩擦纳米发电机采用单电极模式，应用更为广泛。根据下文结合附图对本专利技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本专利技术的上述以及其他目的、优点和特征。附图说明后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本专利技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：图1是根据本专利技术一个实施例的基于液态金属电极的可拉伸摩擦纳米发电机的示意性结构图；图2是根据本专利技术第一个实施例的基于液态金属电极的可拉伸摩擦纳米发电机的制备方法的示意性流程图；图3是根据本专利技术第一个实施例的基于液态金属电极的可拉伸摩擦纳米发电机的第一摩擦层和第二摩擦层的示意性结构图；图4是根据本专利技术第一个实施例的基于液态金属电极的可拉伸摩擦纳米发电机的示意性结构图；图5是根据本专利技术第二个实施例的基于液态金属电极的可拉伸摩擦纳米发电机的示意性结构图；图6是根据本专利技术第三个实施例的基于液态金属电极的可拉伸摩擦纳米发电机的示意性结构图；图7是根据本专利技术第一个实施例的基于液态金属电极的可拉伸摩擦纳米发本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于液态金属电极的可拉伸摩擦纳米发电机，包括：可拉伸摩擦层，其内限定一封闭腔体；液态金属电极，其是由液态金属填充在所述封闭腔体内而形成；和导线，其一端与所述液态金属电极相接触，另一端由所述可拉伸摩擦层伸出以连接外电路；其中，所述可拉伸摩擦层与待接触物体发生摩擦以产生电荷，并在所述可拉伸摩擦层与所述待接触物体分开和/或再接触时诱导所述液态金属电极发生电荷流动，从而产生电信号，并通过所述导线输出所述电信号；其中，所述液态金属的材料选择成在常温下呈液态的合金或金属。

【技术特征摘要】
1.一种基于液态金属电极的可拉伸摩擦纳米发电机，包括：可拉伸摩擦层，其内限定一封闭腔体；液态金属电极，其是由液态金属填充在所述封闭腔体内而形成；和导线，其一端与所述液态金属电极相接触，另一端由所述可拉伸摩擦层伸出以连接外电路；其中，所述可拉伸摩擦层与待接触物体发生摩擦以产生电荷，并在所述可拉伸摩擦层与所述待接触物体分开和/或再接触时诱导所述液态金属电极发生电荷流动，从而产生电信号，并通过所述导线输出所述电信号；其中，所述液态金属的材料选择成在常温下呈液态的合金或金属。2.根据权利要求1所述的可拉伸摩擦纳米发电机，其中，所述可拉伸摩擦层包括：第一摩擦层，其内具有从所述第一摩擦层的表面开始沿其厚度方向延伸的第一凹部；和第二摩擦层，其内具有从所述第二摩擦层的表面开始沿其厚度方向延伸的第二凹部；其中，所述第一摩擦层的表面设置成紧贴在所述第二摩擦层的表面，以使得所述第一凹部和所述第二凹部一起限定形成所述可拉伸摩擦层的封闭腔体。3.根据权利要求1所述的可拉伸摩擦纳米发电机，其中，所述可拉伸摩擦层包括：摩擦层本体，其构造成空心管状，用于在其内填充所述液态金属；和两个端部，其分别位于所述摩擦层本体的两端，用于密封所述摩擦层本体。4.根据权利要求3所述的可拉伸摩擦纳米发电机，其中，所述摩擦纳米发电机的数量为多个，各个摩擦纳米发电机之间交错换位呈编织状排布，以形成编织状摩擦纳米发电机。5.根据权利要求1所述的可拉伸摩擦纳米发电机，其中，所述可拉伸摩擦层构造成空心环状，用于在其内填充所述液态金属。6.根据权利要求1-5中任一项所述的可拉伸摩擦纳米发电机，其中，所述可拉伸摩擦层的材料选择成硅橡胶材料，用于与待接触物体发生摩擦，以产生电荷，进而诱导所述液态金...

【专利技术属性】
技术研发人员：文震，孙旭辉，杨艳琴，孙娜，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32