一种石墨烯发电发热布料及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种石墨烯发电发热布料，包括石墨烯发电发热布料本体，所述本体由石墨烯纤维和半导体纤维一体编制而成，所述石墨烯纤维上分别设有金属构成的充电正极、加热正极和加热负级，所述半导体纤维上设有金属构成的充电负级，充电正极和充电负级连接至充电线，加热正极和加热负级连接至加热电源线。本发电发热布料直接将石墨烯和半导体材料融入纤维丝进行编织，布料表面平滑，无过多附加结构，使用舒适；在运动过程中石墨烯纤维和半导体纤维的接触分离和位置相对变化可将机械能转化为电能持续发电，是一种新的能源利用方式，节能环保；此外，本布料的石墨烯纤维兼具发电和发热功能，实现高度一体化，节省了成本。节省了成本。节省了成本。

【技术实现步骤摘要】
一种石墨烯发电发热布料及其制备方法


[0001]本专利技术涉及纺织用品领域，更具体地，涉及一种石墨烯发电发热布料。

技术介绍

[0002]柔性可穿戴发电设备可将生物运动产生的机械能转换为电能，极大程度地拓宽了能源获取途径，降低对外部能源的依赖，并提升生活的便利性，是可持续发展的研究热点和必然需求。近几年有研究人员研制出基于摩擦纳米发电机的发电布料，但摩擦发电所需幅度较大，且难以持续输出直流电，需要额外的整流电路。而本专利技术的石墨烯发电发热布料基于动态肖特基二极管发电原理，只需要小幅度的运动甚至是简单的接触分离，就可以产生定向的直流发电，为可穿戴发电设备提供了稳定可靠的技术支持。
[0003]随者人们生活水平的提高，可穿戴加热设备逐渐成为冬季的主流用品，以往的加热围巾、加热马甲等产品都需要连接移动电源供电，靠外部电能工作，而本专利技术所使用的石墨烯纤维既用作发电正极，也用于加热取暖，石墨烯发电发热布料可实现自主供电，无需外部能源供应，只需运动或挤压即可随时随地取电、取暖，无各种限制因素，极大程度地加强了便利性。

技术实现思路

[0004]本专利技术基于动态肖特基二极管直流发电原理提出了一种将运动产生的机械能转换为电能的布料，结构简单、使用舒适、节能环保，可用于临时供电，同时还具备加热功能，可实现实时供暖。
[0005]一种石墨烯发电发热布料，包括石墨烯发电发热布料本体，布料本体上设置有用于连接储能模块的充电线和加热电源线，所述的发电发热布料本体由石墨烯纤维和半导体纤维一体编制而成，所述石墨烯纤维之间通过金属连接线连接分别构成充电正极、加热正极和加热负级，所述半导体纤维之间通过金属连接线连接而构成充电负级，充电正极和充电负级连接至充电线，加热正极和加热负级连接至加热电源线。优选的，所述石墨烯纤维和半导体纤维采用经纬交织的方式编织成一体结构。
[0006]所述石墨烯纤维由若干束石墨烯与若干束纤维混合编织而成，所述的纤维可以是棉、麻、羊毛、蚕丝等天然纤维或涤纶、锦纶、腈纶等化学纤维。制备所述石墨烯纤维时，可以采用如下方法：首先通过湿法纺丝法将凝胶状氧化石墨烯水溶液从微孔中挤出成丝并凝固成型，经过高温或者化学还原法制得石墨烯细丝，再与纤维材料搭配混纺。
[0007]所述半导体纤维是将半导体材料掺入纤维制成，所述的半导体材料可以是硅、锗等单质或砷化镓等化合物半导体，所述的纤维可以是棉、麻、羊毛、蚕丝等天然纤维或涤纶、锦纶、腈纶等化学纤维。制备所述半导体纤维时，可以先将半导体纳米颗粒或半导体纳米片分散于溶液中，再用该溶液多次浸轧纤维材料，之后晾干或者烘干即可。
[0008]所述充电正极、充电负级、加热正极、加热负级可以由铜、铝、镍、铬、钛、银、金等导电材料中的一种或几种构成。
[0009]所述储能模块可以是锂离子电池、镍氢电池、镍镉电池、镍铁电池等可充电电池，且具备充电输入接口和放电输出接口，可分别连接充电线和加热电源线。
[0010]所述加热电源线还设有温控开关，以便控制布料的加热温度。
[0011]本专利技术将石墨烯纤维和半导体纤维交错编织成布料，构建出多组小型动态肖特基二极管发电装置，在使用过程中，布料受压或发生形变会导致石墨烯和半导体材料之间产生接触分离过程或发生相对位置变化，基于动态肖特基二极管发电原理产生特定方向的直流发电，可直接为石墨烯纤维供电使其发热，也可为外部储能电路充电或用于部分用电设备的临时供电。该发电发热布料可在穿戴者运动的过程中自主发电、储电，无需消耗外部能源，节能环保，并且实现了随时随地取电、取暖，便利性强，用途广泛。
[0012]本专利技术采用石墨烯纤维与半导体纤维以经纬交织的结构编织，该结构有助于构建高度阵列化的石墨烯/半导体动态二极管发电机，通过串并联设计，能够大幅提升发电的电压和电流，使输出功率足以满足需求，解决了单个二极管单元发电功率低的问题。同时，经纬编织结构对机械力更敏感，具体表现为对来自各个方向的形变都有较强的响应，且固定的结构使得布料在无序的机械力作用后得以恢复原状以便重复发电。
附图说明
[0013]图1为石墨烯发电发热布料整体结构示意图；
[0014]图2为石墨烯发电发热布料的石墨烯纤维与半导体纤维编织细节实物图；
[0015]图3为石墨烯发电发热布料与外部储能模块连接方式示意图；
[0016]图4为石墨烯发电发热布料在运动过程中产生的电压输出；
[0017]图5为石墨烯发电发热布料的发热效果红外成像图。
具体实施方式
[0018]以下结合附图及具体实例进一步说明本专利技术。
[0019]参照图1，本专利技术的石墨烯发电发热布料由石墨烯纤维5和半导体纤维6编织而成，其中石墨烯纤维连接有充电正极31、加热正极41和加热负级42，半导体纤维连接有充电负级32；图2所示为石墨烯发电发热布料的一种纺织方式；图3提出了一种电极引出方案，并展示了外部储能模块的连接方法；本专利技术中石墨烯纤维的一种制备过程为：首先采用湿法纺丝法将凝胶状氧化石墨烯水溶液从微孔中挤出成丝并凝固成型，经过1000℃高温加热处理使氧化石墨烯还原制得石墨烯细丝，再与纤维材料搭配混纺得到石墨烯纤维；半导体纤维的一种制备过程：先将半导体纳米颗粒或半导体纳米片分散于水或酒精中，再将纤维材料浸至该溶液中进行3次以上浸轧处理，每次10至15分钟，取出后晾干或者烘干获得半导体纤维。
[0020]实施例1：1)石墨烯纤维和半导体纤维的纤维主体选用涤纶材质，半导体纤维的半导体材料部分选用硅单质，制成纤维材料后，参阅图1所示方式进行编织，织造出尺寸为20cm
×
20cm的石墨烯发电发热布料主体；2)选用铝作为电极材料，参阅图1所示方式在石墨烯纤维表面制备充电正极、加热正极和加热负级，在半导体纤维一侧制备充电负级，制备过程中注意同一电极不要同时接
触石墨烯纤维和半导体纤维；3)在各个电极上连接导线，参阅图3将充电正极、充电负级引出到充电接口，为储能模块供电；将加热正极、加热负级引出到取电接口，并加设温控开关。将上述布料的充电正极和充电负极连接至电压表，通过小幅按压和揉搓模拟运动过程中布料的状态，记录输出电压随时间的变化，得到如图4所示的电压
‑
时间曲线，由图可知发电的平均电压在8～10V左右。将布料的充电正极、充电负极分别与加热正极和加热负极直接相连，进行上述按压和揉搓操作，待温度稳定后进行测温，如图5(a)所示为直接加热的温度，最高可达约52℃；增设储能模块及温控功能后重复上述操作，将温度设置为36℃，实测加热效果如图5(b)所示，温度在36
±
1℃范围内，多余电量将被储能模块存储以供持续工作或为外部用电设备供电。
[0021]实施例2：1)石墨烯纤维和半导体纤维的纤维主体选用涤纶材质，半导体纤维的半导体材料部分选用锗单质，制成纤维材料后，参阅图1所示方式进行编织，织造出尺寸为20cm
×
20cm的石墨烯发电发热布料主体；2)选用银和铜作为电极材料，参本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种石墨烯发电发热布料，其特征在于，包括石墨烯发电发热布料本体(1)，布料本体(1)上设置有用于连接储能模块(2)的充电线(3)和加热电源线(4)，所述的发电发热布料本体(1)由石墨烯纤维(5)和半导体纤维(6)一体编制而成，所述石墨烯纤维(5)上设有金属构成的充电正极(31)、加热正极(41)和加热负级(42)，所述半导体纤维(6)上设有金属构成的充电负级(32)，充电正极(31)和充电负级(32)连接至充电线(3)，加热正极(41)和加热负级(42)连接至加热电源线(4)。2.根据权利要求1所述的石墨烯发电发热布料，其特征在于，所述石墨烯纤维(5)和半导体纤维(6)采用经纬交织的方式编织成一体结构。3.根据权利要求1所述的石墨烯发电发热布料，其特征在于，所述石墨烯纤维(5)由石...

【专利技术属性】
技术研发人员：林时胜，陆阳华，戴越，
申请(专利权)人：杭州量春科技有限公司，
类型：发明
国别省市：