一種瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明一種瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)及其制備方法，包括功能薄膜層部分、電極部分。通過(guò)選擇可溶性材料作為功能薄膜層部分，金屬作電極部分，而與水反應(yīng)的金屬生成的溶液可以進(jìn)一步溶解其他的電極部分。通過(guò)這種連續(xù)反應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)器件的完全溶解。未溶解之前其可具有相比于傳統(tǒng)摩擦發(fā)電機(jī)的優(yōu)異性能，可以收集環(huán)境中的機(jī)械能。此外，其本身可作為一種傳感器件，既可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)，又可以植入體內(nèi)作為人體健康監(jiān)測(cè)。本瞬態(tài)可溶解發(fā)電機(jī)具有完全可溶解、產(chǎn)物無(wú)毒無(wú)污染、溶解時(shí)間短、多功能性以及制備簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。未來(lái)在生物醫(yī)療植入設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置以及安全、消費(fèi)電子設(shè)備等領(lǐng)域具有很好的潛在應(yīng)用。
【專利說(shuō)明】
一種瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明涉及微納能源、生物醫(yī)療、環(huán)境監(jiān)測(cè)領(lǐng)域，具體涉及一種瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著無(wú)線傳感網(wǎng)絡(luò)、便攜式電子器件和可植入設(shè)備的快速發(fā)展，可持續(xù)能量來(lái)源的發(fā)展也得到了持續(xù)的關(guān)注。使用納米技術(shù)收集環(huán)境中的能量是具有前景的能源解決方案，例如，從身體運(yùn)動(dòng)、聲波和體液流動(dòng)等收集能源來(lái)驅(qū)動(dòng)電子器件而不是使用電池。目前有幾種物理機(jī)制可以用來(lái)有效收集這些機(jī)械能，包括壓電效應(yīng)、電磁效應(yīng)和摩擦起電效應(yīng)。以摩擦起電效應(yīng)和靜電誘導(dǎo)效應(yīng)為基礎(chǔ)的摩擦發(fā)電機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、效率高以及很好的對(duì)環(huán)境的適應(yīng)性等優(yōu)點(diǎn)在能量收集和運(yùn)動(dòng)傳感等方面具有很大的優(yōu)勢(shì)。摩擦發(fā)電機(jī)最具有前景的一個(gè)方面是在不易到達(dá)環(huán)境方面的應(yīng)用，例如建筑結(jié)構(gòu)內(nèi)部、人體內(nèi)。例如，越來(lái)越多的可植入電子器件的供能問(wèn)題一直是個(gè)難題，因?yàn)榫S護(hù)和更換這些能量單元的代價(jià)及風(fēng)險(xiǎn)是非常大的。摩擦發(fā)電機(jī)可以從環(huán)境中收集能量來(lái)持續(xù)為這些微電子器件供能，所以是一種很好的能量解決方案。
[0003]然而，一個(gè)很重要卻被忽視的問(wèn)題是這些不易到達(dá)環(huán)境中的電子器件的供能單元在超出服役期之后的處理方法。維護(hù)或者更換的代價(jià)和風(fēng)險(xiǎn)較大。一個(gè)具有吸引力的辦法是讓這些供能單元徹底消失，并且不會(huì)產(chǎn)生有害物質(zhì)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明的目的是提出一種可快速溶解的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低的瞬態(tài)摩擦發(fā)電機(jī)及其制備方法。
[0005]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出如下技術(shù)方案:一種瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)，該瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)包括透明功能薄膜層和金屬電極部分。
[0006]進(jìn)一步，所述透明功能薄膜層包括上層透明功能薄膜層和下層透明功能薄膜層，所述上層透明功能薄膜層和下層透明功能薄膜層均由可溶解材料構(gòu)成，所述金屬電極部分包括水溶性金屬電極和普通金屬電極，所述水溶性金屬電極上均設(shè)有封裝層。
[0007]進(jìn)一步的，所述可溶解材料包括:海藻酸鈉、聚乙烯醇、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、聚乙酸內(nèi)酯和米紙。
[0008]進(jìn)一步的，所述水溶性金屬電極包括:鋰、納、鉀、鈣、鎂、鋇。
[0009]進(jìn)一步的，所述普通金屬電極包括:銅、鋁、金、鉑、鈦，所述普通金屬電極排布方式為陣列排布方式。
[0010]本發(fā)明的另一目的是提供上述瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)的制備方法，包括如下步驟:
[0011]步驟1.制備透明功能薄膜層；
[0012]1.1將可溶解材料加入去離子水中，在超聲環(huán)境中溶解，得到可溶解材料溶膠，將得到可溶解材料溶膠加入到培養(yǎng)皿中，室溫常壓下水分蒸發(fā)得到厚度為1-100微米的上層透明功能薄膜層；
[0013]1.2將與步驟1.1相同或不同可溶解材料加入去離子水中，在超聲環(huán)境中溶解，得到可溶解材料溶膠，將得到可溶解材料溶膠加入到培養(yǎng)皿中，室溫常壓下水分蒸發(fā)得到厚度為1-100微米的下層透明功能薄膜層；
[0014]步驟2:使用電子束蒸鍍將的所述普通金屬電極材料蒸鍍到步驟1.1得到的上層透明功能薄膜層上，得到帶有普通金屬電極的上層透明功能薄膜層，備用；
[0015]步驟3:使用電子束蒸鍍將所述水溶性金屬電極蒸鍍到步驟1.2得到的下層透明功能薄膜層上，得到帶有水溶性電極的或下層透明功能薄膜層，備用；
[0016]步驟4:將步驟2和步驟3得到帶有電極的透明功能薄膜層分別剪切成合適尺寸，組裝成器件每個(gè)電極分別連接導(dǎo)線，得到瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)。
[0017]進(jìn)一步，所述水溶性金屬電極的厚度為10-100微米。
[0018]進(jìn)一步，所述普通金屬電極厚度為10-100nm。
[0019]本發(fā)明的有益效果是:由于采用上述技術(shù)方案，本發(fā)明的方法通過(guò)選擇可溶性材料作為功能薄膜層部分，金屬作電極部分，而與水反應(yīng)的金屬生成的溶液可以進(jìn)一步溶解其他的電極部分。通過(guò)這種連續(xù)反應(yīng)的方式實(shí)現(xiàn)整個(gè)器件的完全溶解。未溶解之前其可具有相比于傳統(tǒng)摩擦發(fā)電機(jī)的優(yōu)異性能，可以收集環(huán)境中的機(jī)械能，例如從振動(dòng)、聲波、心臟跳動(dòng)等收集能量。此外，其本身可作為一種傳感器件，既可以實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)安全監(jiān)測(cè)，又可以植入體內(nèi)作為人體健康監(jiān)測(cè)。本瞬態(tài)可溶解發(fā)電機(jī)具有完全可溶解、產(chǎn)物無(wú)毒無(wú)污染、溶解時(shí)間短、多功能性以及制備簡(jiǎn)單、成本低等優(yōu)點(diǎn)。未來(lái)在生物醫(yī)療植入設(shè)備、環(huán)境監(jiān)測(cè)裝置以及安全、消費(fèi)電子設(shè)備等領(lǐng)域具有很好的潛在應(yīng)用。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為本發(fā)明一種瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖中:
[0022]1.水溶性金屬電極、2.上層透明功能薄膜層、3.下層透明功能薄膜層、4.普通金屬電極、5.封裝層。
【具體實(shí)施方式】
[0023]為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)描述。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。
[0024]相反，本發(fā)明涵蓋任何由權(quán)利要求定義的在本發(fā)明的精髓和范圍上做的替代、修改、等效方法以及方案。進(jìn)一步，為了使公眾對(duì)本發(fā)明有更好的了解，在下文對(duì)本發(fā)明的細(xì)節(jié)描述中，詳盡描述了一些特定的細(xì)節(jié)部分。對(duì)本領(lǐng)域技術(shù)人員來(lái)說(shuō)沒(méi)有這些細(xì)節(jié)部分的描述也可以完全理解本發(fā)明。
[0025]如圖1所示，為本發(fā)明一種瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖，一種瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)，該瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)包括透明功能薄膜層和金屬電極部分。
[0026]所述透明功能薄膜層包括上層透明功能薄膜層2和下層透明功能薄膜層3，所述上層透明功能薄膜層和下層透明功能薄膜層均由可溶解材料構(gòu)成，所述金屬電極部分包括可溶解的金屬I和普通金屬電極4，所述可溶解的金屬I上均設(shè)有封裝層5。
[0027]所述可溶解材料包括:海藻酸鈉、聚乙烯醇、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、聚乙酸內(nèi)酯和米紙。
[0028]所述可溶解電極材料包括:鋰、納、鉀、I丐、鎂、鋇。
[0029]所述普通金屬電極包括:銅、鋁、金、鉑、鈦，所述普通金屬電極排布方式為陣列排布方式。
[0030]另外，這是一種垂直接觸式的摩擦發(fā)電機(jī)，而瞬態(tài)可溶解發(fā)電機(jī)的概念可以擴(kuò)展到其他模式，包括:側(cè)向滑動(dòng)模式，單電極模式和自由獨(dú)立模式。只需要按照相應(yīng)的工作模式的結(jié)構(gòu)來(lái)選擇材料即可。
[0031]步驟1.制備透明功能薄膜層；
[0032]1.1將可溶解材料加入去離子水中，在超聲環(huán)境中溶解，得到可溶解材料溶膠，將得到可溶解材料溶膠加入到培養(yǎng)皿中，室溫常壓下水分蒸發(fā)得到厚度為1-100微米的上層透明功能薄膜層；
[0033]1.2將與步驟相同或不同可溶解材料加入去離子水中，在超聲環(huán)境中溶解，得到可溶解材料溶膠，將得到可溶解材料溶膠加入到培養(yǎng)皿中，室溫常壓下水分蒸發(fā)得到厚度為1-100微米的下層透明功能薄膜層；
[0034]步驟2:使用電子束蒸鍍將的所述普通金屬電極材料蒸鍍到步驟1.1得到的上層透明功能薄膜層上，得到帶有普通金屬電極的上層透明功能薄膜層，備用；
[0035]步驟3:使用電子束蒸鍍將所述水溶性金屬電極蒸鍍到步驟1.2得到的下層透明功能薄膜層上，得到帶有水溶性電極的或下層透明功能薄膜層，備用；
[0036]步驟4:將步驟2和步驟3得到帶有電極的透明功能薄膜層分別剪切成合適尺寸，組裝成器件每個(gè)電極分別連接導(dǎo)線，得到瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)。
[0037]所述水溶性金屬電極的厚度為10-100微米。
[0038]所述普通金屬電極厚度為1-1OOnm0
[0039]所述步驟2中所述普通金屬電極為至少一個(gè)，采用陣列排布方式排布。
[0040]實(shí)施例1:
[0041 ]步驟1:
[0042]1.1:將5g海藻酸鈉粉末加入200ml去離子水中，在超聲環(huán)境中溶解待用，5g聚乙烯醇粉末加入200ml去離子水中，在超聲環(huán)境中溶解待用；
[0043]1.2將一定量溶解好的海藻酸鈉溶膠加入到培養(yǎng)皿中，室溫常壓下水分蒸發(fā)得到厚度為10微米的海藻酸鈉薄膜;將一定量溶解好的聚乙烯醇溶膠加入到培養(yǎng)皿中，室溫常壓下水分蒸發(fā)得到厚度為10微米的聚乙烯醇薄膜；
[0044]步驟2:使用電子束蒸鍍將的鋁電極蒸鍍到步驟b中得到的海藻酸鈉薄膜上去，得到帶有普通金屬電極的海藻酸鈉薄膜；
[0045]步驟3:使用電子束蒸鍍將的鋰帶蒸鍍到步驟b中得到的海藻酸鈉薄膜上去，得到帶有普通金屬電極的聚乙烯醇薄膜上；
[0046]步驟4:將步驟2和步驟3得到帶有電極的透明功能薄膜層分別剪切成合適尺寸，組裝成器件每個(gè)電極分別連接導(dǎo)線，得到瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)。
[0047]當(dāng)水滴加到整個(gè)器件上，封裝層材料5首先溶解，緊接著是鋰電極I與水反應(yīng)生成氫氧化鋰溶液，同時(shí)聚乙烯醇薄膜3和海藻酸鈉薄膜2溶解，隨后是鋁電極4先分散成顆粒，進(jìn)一步地與先前鋰電極I與水反應(yīng)生成的氫氧化鋰溶液反應(yīng)得到溶解，通過(guò)這種連續(xù)反應(yīng)的方式使整個(gè)器件得到完全溶解，整個(gè)溶解過(guò)程的持續(xù)時(shí)間在十分鐘之內(nèi)。
[0048]制作功能薄膜層的可溶解材料并不限于上述的海藻酸鈉，也可以使用其他材料包括聚乙烯醇、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、聚乙酸內(nèi)酯和米紙。
[0049]制作可溶解電極的材料并不限于上述的鋰電極，也可以使用其他材料，包括納、鉀、I丐、鎂、鋇。
[0050]以上對(duì)本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，但所述內(nèi)容僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，不能被認(rèn)為用于限定本發(fā)明的實(shí)施范圍。凡依本發(fā)明申請(qǐng)范圍所作的均等變化與改進(jìn)等，均應(yīng)仍歸屬于本發(fā)明的專利涵蓋范圍之內(nèi)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，該瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)包括透明功能薄膜層、金屬電極部分和封裝層。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述透明功能薄膜層包括上層透明功能薄膜層和下層透明功能薄膜層，所述上層透明功能薄膜層和下層透明功能薄膜層均由可溶解材料構(gòu)成，所述金屬電極部分包括水溶性金屬電極和普通金屬電極，所述水溶性金屬電極上均設(shè)有封裝層。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述可溶解材料包括:海藻酸鈉、聚乙烯醇、聚乳酸-羥基乙酸共聚物、聚乙酸內(nèi)酯和米紙。4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述水溶性金屬電極包括:鋰、納、鉀、媽、鎂、鋇。5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)，其特征在于，所述普通金屬電極的包括:招、銅、金、銷、欽。6.—種如權(quán)利要求1-5任意一項(xiàng)所述的瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: 步驟1.制備透明功能薄膜層: 1.1將可溶解材料加入去離子水中，在超聲環(huán)境中溶解，得到可溶解材料溶膠，將得到可溶解材料溶膠加入到培養(yǎng)皿中，室溫常壓下水分蒸發(fā)得到厚度為1-100微米的上層透明功能薄膜層； 1.2將與步驟1.1相同或不同可溶解材料加入去離子水中，在超聲環(huán)境中溶解，得到可溶解材料溶膠，將得到可溶解材料溶膠加入到培養(yǎng)皿中，室溫常壓下水分蒸發(fā)得到厚度為1-100微米的下層透明功能薄膜層； 步驟2:使用電子束蒸鍍將的所述普通金屬電極材料蒸鍍到步驟1.1得到的上層透明功能薄膜層上，得到帶有普通金屬電極的上層透明功能薄膜層，備用； 步驟3:使用電子束蒸鍍將所述水溶性金屬電極蒸鍍到步驟1.2得到的下層透明功能薄膜層上，得到帶有水溶性電極的或下層透明功能薄膜層，備用； 步驟4:將步驟2和步驟3得到帶有電極的透明功能薄膜層分別剪切成合適尺寸，組裝成器件每個(gè)電極分別連接導(dǎo)線，得到瞬態(tài)可溶解摩擦發(fā)電機(jī)。7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述水溶性金屬電極的厚度為10-100微米。8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述普通金屬電極厚度為10-100nm。9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2中所述普通金屬電極為至少一個(gè)，采用陣列排布方式排布。
【文檔編號(hào)】H02N1/04GK106026759SQ201610342179
【公開(kāi)日】2016年10月12日
【申請(qǐng)日】2016年5月20日
【發(fā)明人】張躍, 梁齊杰, 閻小琴, 張茜, 廖新勤
【申請(qǐng)人】北京科技大學(xué)