一种摩擦纳米发电机及其制备方法和应用技术

本发明专利技术涉及一种摩擦纳米发电机及其制备方法和应用，所述摩擦纳米发电机为以导电的柔性材料为上下电极，并由第一绝缘聚合物、第一柔性材料、第二绝缘聚合物、第二柔性材料和第三绝缘聚合物依次堆叠而成的薄膜。本发明专利技术的摩擦纳米发电机可以在小曲率半径物体上的附着以及减小纵向上或者横向上空间需求，我们摆脱了发电机“笨重”基底的限制，具有超薄、轻质量等优点的垂直独立摩擦层式摩擦纳米发电机。此外，本发明专利技术的摩擦纳米发电机可以实现在复杂形状物体上的附着，同时具有收集能量和传感的功能，且并不会导致器件的损坏。这种发电机结构简单、制作成本低廉、并可以大量生产，满足当今市场的需求。属于微纳能源发电技术领域。

A friction nanoscale generator and its preparation methods and Applications

The invention relates to a friction nano generator and preparation method and application thereof, wherein the friction nano generator with flexible conductive material into upper and lower electrode, and a first insulating film second, the first polymer flexible material, insulating polymer, second flexible material and third insulating polymers are stacked. The friction nano generator of the invention can be attached to objects in the small curvature radius and decreasing the vertical or horizontal space requirements, we get rid of the generator \cumbersome\ substrate, with a thin, light quality and other advantages of independent vertical friction layer type friction nano generator. Besides, the friction nano generator of the invention can achieve attachment on complex shaped objects, and has the functions of collecting energy and sensing, and does not cause damage to devices. This kind of generator is simple in structure, low in production cost, and can be produced in large quantity to meet the demand of today's market. It belongs to the field of micro energy power generation technology.

【技术实现步骤摘要】
一种摩擦纳米发电机及其制备方法和应用
本专利技术属于微纳能源发电
，具体涉及一种摩擦纳米发电机及其制备方法和应用。
技术介绍
摩擦纳米发电机作为一种新型收集机械能的能源器件(ZhangL,ZhangB,ChenJ,etal.Lawnstructuredtriboelectricnanogeneratorsforscavengingsweepingwindenergyonrooftops[J].AdvancedMaterials,2016,28(8):1650-1656.)，受到越来越多的关注。其在输出、转化效率、应用和结构方面已经取得巨大的进展。它的输出可以满足手机充电(ZhuG,ChenJ,ZhangT,etal.Radial-arrayedrotaryelectrificationforhighperformancetriboelectricgenerator[J].Naturecommunications,2014,5.)，转化效率已经达到85％(XieY,WangS,NiuS,etal.Grating‐StructuredFreestandingTriboelectric‐LayerNanogeneratorforHarvestingMechanicalEnergyat85％TotalConversionEfficiency[J].AdvancedMaterials,2014,26(38):6599-6607.)；既可以作为能源器件，也可以作为传感器，如压力传感器(ChenSW,CaoX,WangN,etal.AnUltrathinFlexibleSingle‐ElectrodeTriboelectric‐NanogeneratorforMechanicalEnergyHarvestingandInstantaneousForceSensing[J].AdvancedEnergyMaterials,2016.)、离子探测器(LinZH,ZhuG,ZhouYS,etal.Aself‐poweredtriboelectricnanosensorformercuryiondetection[J].AngewandteChemieInternationalEdition,2013,52(19):5065-5069.)、角度探测器(LinZH,ZhuG,ZhouYS,etal.Aself‐poweredtriboelectricnanosensorformercuryiondetection[J].AngewandteChemieInternationalEdition,2013,52(19):5065-5069.)、紫外光探测器(LinZH,ChengG,YangY,etal.TriboelectricnanogeneratorasanactiveUVphotodetector[J].AdvancedFunctionalMaterials,2014,24(19):2810-2816.)等；具有接触分离式(ZhuG,PanC,GuoW,etal.Triboelectric-generator-drivenpulseelectrodepositionformicropatterning[J].Nanoletters,2012,12(9):4960-4965.)、滑移式(WangS,LinL,XieY,etal.Sliding-triboelectricnanogeneratorsbasedonin-planecharge-separationmechanism[J].Nanoletters,2013,13(5):2226-2233.)、单电极式(YangY,ZhangH,ChenJ,etal.Single-electrode-basedslidingtriboelectricnanogeneratorforself-powereddisplacementvectorsensorsystem[J].AcsNano,2013,7(8):7342-7351.)和独立摩擦层式(ZhuG,ChenJ,ZhangT,etal.Radial-arrayedrotaryelectrificationforhighperformancetriboelectricgenerator[J].Naturecommunications,2014,5.)。就结构而言，由于单电极式摩擦纳米发电机需要地电极，限制了它作为可穿戴器件的应用。然而其他三种类型的发电机在纵向上或者横向上需要足够空间以及“笨重”基底问题(ChenSW,CaoX,WangN,etal.AnUltrathinFlexibleSingle‐ElectrodeTriboelectric‐NanogeneratorforMechanicalEnergyHarvestingandInstantaneousForceSensing[J].AdvancedEnergyMaterials,2016.)，限制了发电机在小空间和复杂形状的支撑物体上的应用。电阻式压力传感器通过将力这种非电物理量转化为电阻值变化(LiaoX,LiaoQ,YanX,etal.Flexibleandhighlysensitivestrainsensorsfabricatedbypencildrawnforwearablemonitor[J].AdvancedFunctionalMaterials,2015,25(16):2395-2401.)。然而这种传感器对机械变形非常灵敏，限制了它在曲率半径小的物体上的应用。虽然目前有技术克服了对机械变形灵敏的压力传感器(LeeS,ReuvenyA,ReederJ,etal.Atransparentbending-insensitivepressuresensor[J].Naturenanotechnology,2016.)，但是制造成本高，制备过程复杂。由于摩擦纳米发电机需要有接触才会有输出(LuoJ,TangW,FanFR,etal.TransparentandFlexibleSelf-ChargingPowerFilmandItsApplicationinaSlidingUnlockSysteminTouchpadTechnology[J].ACSnano,2016,10(8):8078-8086.)，并不会受到机械变形的影响。为此，我们使用制作成本低廉的摩擦纳米发电机作为压力传感器。
技术实现思路
为解决上述问题，本专利技术提出一种摩擦纳米发电机及其制备方法和应用，本专利技术的摩擦纳米发电机可以在小曲率半径物体上的附着以及减小纵向上或者横向上空间需求，我们摆脱了发电机“笨重”基底的限制，是具有超薄、轻质量等有点的垂直独立式摩擦纳米发电机。此外，本专利技术的摩擦纳米发电机可以实现在复杂形状物体上的附着，同时可以收集能量和传感，且并不会导致器件的损坏。这种发电机结构简单、制作成本低廉、并可以大量生产，满足当今市场的需求。本专利技术是通过以下技术方案实现的：一种摩擦纳米发电机，所述摩擦纳米发电机为以导电的柔性材料为上下电极，并由第一绝缘聚合物、第一柔性材料、第二绝缘聚合物本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为以导电的柔性材料为上下电极，并由第一绝缘聚合物、第一柔性材料、第二绝缘聚合物、第二柔性材料和第三绝缘聚合物依次堆叠而成的薄膜；所述第一绝缘聚合物的材料与所述第二绝缘聚合物和所述第三绝缘聚合物的材料不同；所述摩擦纳米发电机的厚度为60‑90μm。

【技术特征摘要】
1.一种摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机为以导电的柔性材料为上下电极，并由第一绝缘聚合物、第一柔性材料、第二绝缘聚合物、第二柔性材料和第三绝缘聚合物依次堆叠而成的薄膜；所述第一绝缘聚合物的材料与所述第二绝缘聚合物和所述第三绝缘聚合物的材料不同；所述摩擦纳米发电机的厚度为60-90μm。2.根据权利要求1所述的一种摩擦纳米发电机，其特征在于，所述第一绝缘聚合物为石化基聚酯、聚二甲基硅烷或聚二甲基硅氧烷；所述第一柔性材料和第二柔性材料相同或不同；所述柔性材料为银纳米线、碳纳米管或石墨烯掺杂的硅胶；所述第二绝缘聚合物的材料为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚四氟乙烯或丝蛋白；所述第三绝缘聚合物的材料为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚四氟乙烯或丝蛋白。3.根据权利要求2所述的一种摩擦纳米发电机，其特征在于，所述摩擦纳米发电机以银纳米线为上下电极，并由乙基纤维素、银纳米线、聚二甲基硅氧烷、银纳米线和聚氨酯依次堆叠而成的薄膜；所述摩擦纳米发电机的厚度为60-90μm。4.一种摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括乙基纤维素溶液的制备、聚二甲基硅氧烷溶液的制备以及发电机的制备；所述发电机的制备经过上电极和下电极的制备步骤和发电机绝缘层的涂覆以及发电机的形成步骤得到以银纳米线为上下电极，并由乙基纤维素、银纳米线、聚二甲基硅氧烷、银纳米线和聚氨酯依次堆叠而成的薄膜，即所述摩擦纳米发电机；所述上电极和下电极的制备步骤包括：(1)聚对苯二甲酸乙二醇酯/乙基纤维素薄膜的制备：将所述乙基纤维素溶液，旋涂在作为支撑基底的聚对苯二甲酸乙二醇酯薄片上，在室温条件下放置，放置时间为t1；在聚对苯二甲酸乙二醇酯基底上得到乙基纤维素薄膜；(2)第一刻蚀：用氮气和氧气刻蚀所述聚对苯二甲酸乙二醇酯/乙基纤维素薄膜，刻蚀时间为t2，以降低乙基纤维素表面的疏水性；(3)下电极的制备：在步骤(2)中得到聚对苯二甲酸乙二醇酯/乙基纤维素上，旋涂一层银纳米线，作为下电极，然后将所述薄膜放入烘箱中烘干，烘干温度为T3，烘干时间为t3，在聚对苯二甲酸乙二醇酯基底上得到乙基纤维素/银纳米线薄膜；(4)绝缘涂层的制备：将所述聚二甲基硅氧烷旋涂在所述聚对苯二甲酸乙二醇酯/乙基纤维素/银纳米线薄膜上，放入真空干燥箱中，干燥温度为T4，干燥时间为t4，在聚对苯二甲酸乙二醇酯基底上得到乙基纤维素/银纳米线/聚二甲基硅氧烷薄膜；(5)第二刻蚀：用氮气和氧气刻蚀所述聚对苯二甲酸乙二醇酯/乙基纤维素/银纳米线/聚二甲基硅氧烷薄膜，刻蚀时间为t5，得到亲水的聚二甲基硅氧烷薄膜；(6)上电极的制备：在步骤(5)中经过刻蚀得到所述的乙基纤维素/银纳米线/聚二甲基硅氧烷薄膜上...

【专利技术属性】
技术研发人员：张跃，高放放，廖庆亮，张光杰，丁一，马明园，韩林宏，
申请(专利权)人：北京科技大学，
类型：发明
国别省市：北京,11