本发明专利技术公开了一种高输出性能的摩擦纳米发电机由正摩擦层、PDMS膜层一、银纳米线导电结构、PDMS膜层二、电极层和凹槽结构构成；PDMS膜层一的一侧表面印刷有若干个银纳米线导电结构，形成介电层一；PDMS膜层一的另一侧表面与正摩擦层在施加压力时接触，在释放压力时分离；正摩擦层所用材料的电负性弱于PDMS；PDMS膜层二的一侧表面开设有若干个凹槽结构，形成介电层二；PDMS膜层二的具有凹槽结构的一侧表面与PDMS膜层一的具有银纳米线导电结构的一侧表面紧密贴合，形成负摩擦层；PDMS膜层二的另一侧表面与电极层紧密贴合。本发明专利技术通过将两个介电层键合形成负摩擦层，凹槽结构与银纳米线导电结构接触和分离形成电荷陷阱，提升了摩擦纳米发电机的输出性能。擦纳米发电机的输出性能。擦纳米发电机的输出性能。
【技术实现步骤摘要】
一种高输出性能的摩擦纳米发电机及其制备方法
[0001]本专利技术涉及增材制造、微纳制造领域，具体是一种高输出性能的摩擦纳米发电机及其制备方法。
技术介绍
[0002]随着化石能源的快速消耗，能源危机已经成为当今社会面临的难题之一，目前急需开发一种绿色、高效的可持续能源全面取代即将枯竭的化石能源。摩擦纳米发电机(TENG)作为一种能够将低频机械能转化为电能的俘能器件，能够收集生活环境中微小的机械能，如风能、声波能、水波能、人体运动机械能等，并通过摩擦电气化现象将这些机械能转化为电能，实现对小型电子器件的供电。由于这些机械能来源广泛且无污染，因此摩擦纳米发电机具有绿色、可持续的优点，应用前景广阔。
[0003]摩擦纳米发电机作为一种能量转换器件，其输出性能决定了其应用领域，而表面电荷密度是影响摩擦纳米发电机的关键因素。目前，研究人员提出了一系列策略来提高摩擦纳米发电机的表面电荷密度，从而扩大其应用领域。例如，人工注入电荷可以直接提升表面电荷密度，但注入的电荷消散快、稳定性差；掺杂高介电纳米粒子能够影响摩擦纳米发电机的表面电荷势能，从而提升表面电荷密度，但掺杂粒子分布不均匀、掺杂过程无法精确控制，造成该种摩擦纳米发电机的制造重复性极差；通过化学表面改性使摩擦层表面产生电负性更强的官能团也能够提高表面电荷密度，但处理过程复杂耗时，严重影响了摩擦纳米发电机的制造效率。
技术实现思路
[0004]针对现有技术的不足，本专利技术拟解决的技术问题是，提供一种高输出性能的摩擦纳米发电机及其制备方法。
[0005]本专利技术解决所述技术问题的技术方案是，提供一种高输出性能的摩擦纳米发电机，其特征在于，该摩擦纳米发电机由正摩擦层、PDMS膜层一、银纳米线导电结构、PDMS膜层二、电极层和凹槽结构构成；
[0006]PDMS膜层一的一侧表面印刷有若干个银纳米线导电结构，形成介电层一；PDMS膜层一的另一侧表面与正摩擦层在施加压力时接触，在释放压力时分离；正摩擦层所用材料的电负性弱于PDMS；正摩擦层引出导线用于连接外部负载；PDMS膜层二的一侧表面开设有若干个凹槽结构，形成介电层二；PDMS膜层二的具有凹槽结构的一侧表面与PDMS膜层一的具有银纳米线导电结构的一侧表面紧密贴合，形成负摩擦层；PDMS膜层二的另一侧表面与电极层紧密贴合；电极层引出导线用于连接外部负载。
[0007]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0008](1)本专利技术通过在PDMS膜层一的一侧表面印刷银纳米线导电结构形成介电层一、在PDMS膜层二的一侧表面开设凹槽结构介电层二，两个介电层键合形成负摩擦层，凹槽结构与银纳米线导电结构接触和分离形成电荷陷阱，增强了介电层的电子捕获能力，提高了
摩擦纳米发电机的表面电荷密度，有效提升了摩擦纳米发电机的输出性能。
[0009](2)本专利技术将电荷陷阱插入到负摩擦层中，使得正摩擦层可以为任何电负性弱于PDMS的材料，甚至可以直接用手指代替，不用特殊设计正摩擦层，使正摩擦层不再受材料与结构的限制。
[0010](3)本专利技术将旋涂、电流体动力学打印法、转印法相结合，首次将这三种方法应用到摩擦纳米发电机电荷陷阱的制备过程中，灵活可控，形成的电荷陷阱尺寸高度一致，制备的摩擦纳米发电机输出性能一致，可大规模生产。
[0011](4)本专利技术的银纳米线导电结构采用电流体动力学打印法制备，在印刷参数不变情况下能够保证不同摩擦纳米发电机的银纳米线导电结构尺寸一致，具有成型快速、制造重复性高的优点。
[0012](5)本专利技术的介电层二采用转印法制备，其模板可多次使用，且转印出的凹槽结构的尺寸高度一致，与其他方法相比，具有工艺简单、成本低、制造重复性高的优点。
[0013](6)本专利技术制备的摩擦纳米发电机具有工作稳定性好、输出性能高，且制备工艺简单、成本低、重复性高，适合进行大规模生产。
附图说明
[0014]图1为本专利技术的摩擦纳米发电机结构示意图；
[0015]图2为本专利技术的摩擦纳米发电机的工作原理图；
[0016]图3为本专利技术实施例4制备的摩擦纳米发电机的负摩擦层的截面电镜图；
[0017]图4为本专利技术实施例4制备的摩擦纳米发电机的实物图；
[0018]图5为本专利技术对比例1～5的开路电压测试结果；(图中，378μm对应对比例1、330μm对应对比例2、284μm对应对比例3、240μm对应对比例4、202μm对应对比例5；)
[0019]图6为本专利技术对比例1～5的短路电流测试结果；(图中，378μm对应对比例1、330μm对应对比例2、284μm对应对比例3、240μm对应对比例4、202μm对应对比例5；)
[0020]图7为本专利技术实施例1～5的开路电压测试结果；(图中，378μm对应实施例1、330μm对应实施例2、284μm对应实施例3、240μm对应实施例4、202μm对应实施例5；)
[0021]图8为本专利技术实施例1～5的短路电流测试结果；(图中，378μm对应实施例1、330μm对应实施例2、284μm对应实施例3、240μm对应实施例4、202μm对应实施例5；)
[0022]图9为本专利技术对比例4与实施例4表面电荷密度测试结果。
[0023]图中，正摩擦层1、PDMS膜层一2、银纳米线导电结构3、PDMS膜层二4、电极层5、凹槽结构6。
具体实施方式
[0024]下面给出本专利技术的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本专利技术，不限制本专利技术权利要求的保护范围。
[0025]本专利技术提供了一种高输出性能的摩擦纳米发电机(简称摩擦纳米发电机)，其特征在于，该摩擦纳米发电机由正摩擦层1、PDMS(聚二甲基硅氧烷)膜层一2、银纳米线导电结构3、PDMS膜层二4、电极层5和凹槽结构6构成；
[0026]PDMS膜层一2的一侧表面印刷有若干个银纳米线导电结构3(本实施例为15～20
个)，形成介电层一；在发电机工作时，PDMS膜层一2的另一侧表面与正摩擦层1在施加压力时接触，在释放压力时分离；正摩擦层1所用材料的电负性弱于PDMS；正摩擦层1引出导线用于连接外部负载；PDMS膜层二4的一侧表面开设有若干个凹槽结构6(本实施例为15～20个)，形成介电层二；PDMS膜层二4的具有凹槽结构6的一侧表面与PDMS膜层一2的具有银纳米线导电结构3的一侧表面通过粘合实现紧密贴合，两者之间不存在缝隙，形成负摩擦层；PDMS膜层二4的另一侧表面与电极层5通过粘合实现紧密贴合，两者之间不存在缝隙，保证导电性；电极层5引出导线用于连接外部负载。
[0027]优选地，银纳米线导电结构3通过电流体动力学打印法印刷于PDMS膜层一2的一侧表面。
[0028]优选地，凹槽结构6通过转印法开设于PDMS膜层二4的一侧表面。
[0029]优选地，银纳米线导电结构3之间相互平行且间隔设置，相邻两个银纳米线导电结构3之间的距离为0.5～1mm(优选1mm)；每个银纳米线本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种高输出性能的摩擦纳米发电机，其特征在于，该摩擦纳米发电机由正摩擦层(1)、PDMS膜层一(2)、银纳米线导电结构(3)、PDMS膜层二(4)、电极层(5)和凹槽结构(6)构成；PDMS膜层一(2)的一侧表面印刷有若干个银纳米线导电结构(3)，形成介电层一；PDMS膜层一(2)的另一侧表面与正摩擦层(1)在施加压力时接触，在释放压力时分离；正摩擦层(1)所用材料的电负性弱于PDMS；正摩擦层(1)引出导线用于连接外部负载；PDMS膜层二(4)的一侧表面开设有若干个凹槽结构(6)，形成介电层二；PDMS膜层二(4)的具有凹槽结构(6)的一侧表面与PDMS膜层一(2)的具有银纳米线导电结构(3)的一侧表面紧密贴合，形成负摩擦层；PDMS膜层二(4)的另一侧表面与电极层(5)紧密贴合；电极层(5)引出导线用于连接外部负载。2.根据权利要求1所述的高输出性能的摩擦纳米发电机，其特征在于，银纳米线导电结构(3)通过电流体动力学打印法印刷于PDMS膜层一(2)的一侧表面；凹槽结构(6)通过转印法开设于PDMS膜层二(4)的一侧表面。3.根据权利要求1所述的高输出性能的摩擦纳米发电机，其特征在于，银纳米线导电结构(3)之间相互平行且间隔设置，相邻两个银纳米线导电结构(3)之间的距离为0.5～1mm；每个银纳米线导电结构(3)的宽度均为300～400μm、长度均为10～20mm。4.根据权利要求1所述的高输出性能的摩擦纳米发电机，其特征在于，凹槽结构(6)之间相互平行且间隔设置，相邻两个凹槽结构(6)之间的距离为0.5～1mm；每个凹槽结构(6)的宽度均为180～200μm、长度均为10～20mm、深度均为40～60μm，截面形状为弧形。5.根据权利要求1所述的高输出性能的摩擦纳米发电机，其特征在于，银纳米线导电结构(3)与凹槽结构(6)相互垂直。6.根据权利要求1所述的高输出性能的摩擦纳米发电机，其特征在于，正摩擦层(1)采用如金属、织物和皮肤。7.根据权利要求1所述的高输出性能的摩擦纳米发电机，其特征在于，正摩擦层(1)、PDMS膜层一(2)、PDMS膜层二(4)和电极层(5)的形状相同且长、宽尺寸相同。8.一种权利要求1
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7任一所述高输出性能的摩擦纳米发电机的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：(1)将正摩擦层(1)的材料裁剪成任意形状并引出导线，形成正摩擦层(1)；(2)将PDMS前驱体与固化剂按质量比10:1的比例混合均匀，制成PDMS溶液；(3)使用匀胶机以300～700rpm的速度在固体基底上旋涂步骤(2)得到的PDMS溶液，然后在60～70℃下加热14～20min，形成半固化状...
【专利技术属性】
技术研发人员：程娥，张战胜，高玲肖，胡宁，赵丽滨，朱烨明，卜凡，
申请(专利权)人：河北工业大学，
类型：发明
国别省市：
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