一種高性能的摩擦發(fā)電機(jī)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及發(fā)電機(jī)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種高性能的摩擦發(fā)電機(jī)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]從生活環(huán)境中采集能量，被廣泛視為實(shí)現(xiàn)綠色能源和能源可持續(xù)發(fā)展的有效途徑，將有望在無線傳輸系統(tǒng)、植入式醫(yī)療器件、乃至消費(fèi)類電子的供能中發(fā)揮重要作用?；谀Σ疗痣娕c靜電感應(yīng)原理，通過簡單低成本的加工制備的微型摩擦發(fā)電機(jī)可以完成對(duì)周圍環(huán)境機(jī)械能的高效率采集，實(shí)現(xiàn)高輸出功率密度和能量轉(zhuǎn)換效率。
[0003]而現(xiàn)有摩擦發(fā)電機(jī)的輸出具有高輸出電壓、低輸出電流的特點(diǎn)，這使得能量轉(zhuǎn)換變得極其困難，從而限制了其實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。另一方面，其表面電荷密度較低，單次作用轉(zhuǎn)移的電量少，從而使得其能量轉(zhuǎn)換效率仍然比較低。故如何通過簡單而低成本的加工方法來實(shí)現(xiàn)高輸出性能，高表面電荷密度的摩擦發(fā)電機(jī)顯得十分重要。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于:提供一種高性能的摩擦發(fā)電機(jī)及其制備方法，利用兩種柔性材料對(duì)電荷束縛能力的差異構(gòu)成摩擦型能量采集器，通過在聚合物表面進(jìn)行單步等離子體處理，可在該聚合物上形成特殊的多尺度結(jié)構(gòu)，再通過在聚合物上制備導(dǎo)電電極將電荷傳導(dǎo)出去，利用簡單合理的外電路設(shè)計(jì)，可高效地為電容器充電，從而將電能存儲(chǔ)下來，并提供高電壓和高電流輸出。
[0005]本發(fā)明提供的一種高性能的摩擦發(fā)電機(jī)，有電極的襯底材料和有摩擦層的三明治結(jié)構(gòu)。
[0006]進(jìn)一步，所述有電極的襯底材料為依次層疊的聚合物薄膜和導(dǎo)電電極；所述有摩擦層的三明治結(jié)構(gòu)為依次層疊的聚合物絕緣層、導(dǎo)電電極和聚合物薄膜。
[0007]進(jìn)一步，所述聚合物薄膜和聚合物絕緣層為兩種不同的柔性絕緣材料，所述柔性絕緣材料包括聚乙稀(polyethylene，PE)、聚氯乙稀(polyvinyl chloride polymer, PVC)聚二甲基娃氧燒(polydimethyl si loxane, PDMS)、聚酰亞胺(polymide, PI)、聚對(duì)二甲苯(parylene)、聚四氟乙稀(polytetrafluoroethylene, PTFE)薄膜。
[0008]進(jìn)一步，所述導(dǎo)電電極為電阻率小于1000Ω.m的鋁或銅或銀或金或銦錫金屬氧化物(ITO)或石墨烯或碳納米管或苯乙烯磺酸(PED0T-PSS)。
[0009]本發(fā)明還提供一種高性能的摩擦發(fā)電機(jī)的制備方法，包括如下步驟:
[0010]S10)通過在聚合物薄膜的一個(gè)表面鍍上一層導(dǎo)電電極，制備2個(gè)有電極的襯底材料；
[0011]S20)利用旋涂技術(shù)在其中一個(gè)襯底材料的有電極的一面旋涂摩擦層聚合物材料，并將所述摩擦層聚合物材料烘干成膜，制備有摩擦層的三明治結(jié)構(gòu)。
[0012]進(jìn)一步，所述步驟S20)還包括:在所述另一種聚合物材料烘干之前進(jìn)行氟碳等離子體處理。
[0013]進(jìn)一步，所述氟碳等離子體處理采用的儀器為反應(yīng)離子刻蝕機(jī)(Reactive 1nEtching, RIE)或感應(yīng)親合等離子體刻蝕機(jī)(Inductively Coupled Plasma, ICP)。
[0014]進(jìn)一步，所述聚合物薄膜為柔性絕緣材料包括聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(polyethylene terephthalate, PET)、有機(jī)玻璃等。
[0015]進(jìn)一步，所述另一種聚合物材料為聚二甲基娃氧燒(polydimethylsi1xane,PDMS)或聚酰亞胺(polymide，PI)或聚四氟乙稀(polytetrafluoroethylene, PTFE) ο
[0016]進(jìn)一步，所述步驟S20)之后，還包括步驟S30)利用支撐框架或形成拱形結(jié)構(gòu)將有電極的襯底材料和有摩擦層的三明治結(jié)構(gòu)組裝成摩擦發(fā)電機(jī)。
[0017]進(jìn)一步，所述支撐框架為鋁片或銅片或聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯薄膜(polyethylene terephthalat，PET)或有機(jī)玻璃(polymethyl methacrylate，PMMA)及彈簧的組合結(jié)構(gòu)。
[0018]本發(fā)明具有如下有益技術(shù)效果:
[0019]1、本發(fā)明的高性能摩擦發(fā)電機(jī)與基于壓電、電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實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換，并且具有能量轉(zhuǎn)換效率高的特點(diǎn)；
[0020]2、應(yīng)用本發(fā)明的制備方法可適用于多種形式的摩擦發(fā)電機(jī)的生產(chǎn)，且生產(chǎn)的摩擦發(fā)電機(jī)柔性高、輸出能力強(qiáng)。
【附圖說明】
[0021]此處所說明的附圖用來提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定，在附圖中:
[0022]圖1為本發(fā)明實(shí)施例1一種高性能的摩擦發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0023]圖2為本發(fā)明實(shí)施例2 —種高性能的摩擦發(fā)電機(jī)的制備方法流程示意圖；
[0024]圖3為本發(fā)明實(shí)施例3 —種高性能的摩擦發(fā)電機(jī)的制備方法流程示意圖。
【具體實(shí)施方式】
[0025]下面將結(jié)合附圖以及具體實(shí)施例來詳細(xì)說明本發(fā)明，在此本發(fā)明的示意性實(shí)施例以及說明用來解釋本發(fā)明，但并不作為對(duì)本發(fā)明的限定。
[0026]圖1為本發(fā)明一種高性能的摩擦發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]實(shí)施例1:
[0028]參見圖1所示，本實(shí)施例為本發(fā)明一種高性能摩擦發(fā)電機(jī)為接觸分離式結(jié)構(gòu)，包括依次層疊的聚合物薄膜I和導(dǎo)電電極2，以及依次層疊的聚合物絕緣層3、導(dǎo)電電極2和聚合物薄膜I。
[0029]優(yōu)選地，所述聚合物薄膜I和聚合物絕緣層3為柔性絕緣材料，所述柔性絕緣材料包括聚乙稀(polyethylene, PE)、聚氯乙稀(polyvinyl chloride polymer, PVC)聚二甲基娃氧燒(polydimethyl si loxane, PDMS)、聚酰亞胺(polymide, PI)、聚對(duì)二甲苯(parylene)、聚四氟乙稀(polytetrafluoroethylene, PTFE)薄膜等。
[0030]優(yōu)選地，所述導(dǎo)電電極2為電阻率小于1000Ω.πι的金屬如鋁、銅、銀、金或半導(dǎo)體材料包括銦錫金屬氧化物(ITO)以及新型導(dǎo)電電極如石墨烯、碳納米管和苯乙烯磺酸(PED0T-PSS)。[0031 ] 需要說明的是，本實(shí)施例中，聚合物薄膜I和導(dǎo)電電極2可以是集成一體的有電極的襯底材料；聚合物絕緣層3、導(dǎo)電電極2和聚合物薄膜I可以是集成為一體的帶有摩擦層的三明治結(jié)構(gòu)?？蛇x的，還包括起支撐作用的支撐框架，利用該支撐支架可將有電極的襯底材料和帶有摩擦層的三明治結(jié)構(gòu)組裝為摩擦發(fā)電機(jī)。也可直接利用襯底材料本身形成拱形結(jié)構(gòu)作為支撐框架，或者當(dāng)本發(fā)明摩擦發(fā)電機(jī)作為植入設(shè)備時(shí)，可將被植入設(shè)備作為支撐框架。
[0032]支撐框架的材質(zhì)可以是有一定強(qiáng)度的金屬或聚合物材料如鋁片、銅片、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇醋薄膜(polyethylene terephthalat，PET)、有機(jī)玻璃(polymethylmethacrylate, PMMA)及彈簧的組合結(jié)構(gòu)。
[0033]實(shí)施例2:
[0034]圖2為本實(shí)施例一種高性能的摩擦發(fā)電機(jī)的制備方法流程示意圖。
[0035]參照?qǐng)D2所示，本發(fā)明一種高性能摩擦發(fā)電機(jī)的制備方法，具體加工步驟如下:
[0036]步驟SlO:通過在聚合物薄膜的一個(gè)表面鍍上一層導(dǎo)電電極，制備2個(gè)有電極的襯底材料。
[0037]優(yōu)選地，該步驟S10)中，所述聚合物薄膜為柔性絕緣材料包括聚對(duì)苯二甲酸乙二醇醋(polyethylene terephthalate, PET)、有機(jī)玻璃等。
[0038]優(yōu)選地，該步驟S10)中，導(dǎo)電電極采用有較強(qiáng)導(dǎo)電能力的金屬如鋁、銅、銀、金或半導(dǎo)體材料包括銦錫金屬氧化物(ITO)以及新型導(dǎo)電電極如石墨烯、碳納米管和苯乙烯磺酸(PED0T-PSS)。
[0039]步驟S20:利用旋涂技術(shù)在其中一個(gè)有電極的襯底材料有導(dǎo)電電極的一面旋涂摩擦層聚合物材料，并將所述摩擦層聚合物材料烘干成膜，制備有摩擦層的三明治結(jié)