[发明专利]一种机械能向光辐射转换装置及方法

说明书

技术领域

本发明涉及机械能向光辐射转换领域，公开了一种利用摩擦起电与电致发光的耦合效应将机械能转变为光辐射的装置及方法。

背景技术

运动的物体无处不在，探测这些动态物体的位置、轨迹和运动参数等具有重要的科学意义和实用价值，在力学传感、定位示踪、自驱动光源、防伪鉴别、安防监控、自然灾害预警等领域有着广阔的应用前景。当前，探测动态物体的传感手段主要依赖于外部机械作用所产生的电学信号。如果利用光辐射信号而非电信号来探测机械运动信息，则无需复杂精密的电子信号处理系统，实现大面积范围内的可视化实时传感。

为了将机械能转换为光辐射，建立一种机械能向光辐射转换机制至关重要。电致发光是一种高效且稳定的发光机制，能将电能直接转变成光辐射，同时，摩擦起电是一种高效的机械能-电能转换机制，能够有效地将机械能转换为电能。将摩擦起电效应与电致发光效应有机的耦合，能实现机械能向光辐射的高效转换。

摩擦起电与电致发光耦合效应，提供了一种理想的实时探测动态物体运动轨迹的可视化手段，具有材料选择广、灵敏度高、应力阈值低、速度阈值低、稳定好和适用性广等优点，将在定位示踪、自驱动光源、防伪鉴别、安全防盗和电子签名等众多领域有着广泛的潜在应用。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械能向光辐射转换的装置，该装置通过具有摩擦电极性差异材料相互摩擦，沿摩擦轨迹产生变化的电场。电场激发摩擦轨迹上的电致发光材料产生光辐射。本发明还提供了采用该装置的将机械能向光辐射转换的方法。

为了实现上述目的，本发明提供一种机械能向光辐射转换装置，该装置包括：摩擦部件，包括第一摩擦起电层；摩擦发光部件，所述摩擦发光部件由摩擦起电材料和电致发光材料构成。所述摩擦发光部件的上表面含有摩擦起电材料，并且所述摩擦发光部件的上表面和所述第一摩擦起电层的下表面具有不同的摩擦电极性。通过所述第一摩擦起电层的下表面和所述摩擦发光部件的上表面彼此摩擦，沿摩擦轨迹产生变化的电场，激发摩擦轨迹上所述摩擦发光部件中的电致发光材料产生光辐射。

所述摩擦发光部件的上表面和所述第一摩擦起电层的下表面的摩擦电极性差异越大，光辐射强度越大。

优选地，所述摩擦部件的第一摩擦起电层下表面具有最小单元尺寸为厘米、毫米和/或微米尺度的阵列凸起结构。

优选地，所述摩擦发光部件的上表面具有微米和/或纳米尺度的表面微结构。

优选地，所述摩擦为接触-分离式摩擦、滑动式摩擦和/或滚动式摩擦。

在光辐射达到饱和之前，光辐射强度随接触应力的增大而增大。

在光辐射达到饱和之前，光辐射强度随运动速率的增大而增大。

优选地，所述摩擦发光部件中含有的所述电致发光材料为有机电致发光材料和/或无机电致发光材料。

优选地，所述摩擦发光部件中含有的所述电致发光材料为短余辉和/或长余辉电致发光材料。

优选地，所述摩擦发光部件中含有的所述电致发光材料可以为微米和/或纳米尺寸的电致发光材料。

优选地，所述光辐射为X射线、紫外线、可见光和/或红外光。

优选地，所述第一摩擦起电层为导体、半导体和/或绝缘体，所述摩擦发光部件中的摩擦起电材料为绝缘体和/或半导体。

优选地，所述摩擦发光部件中的摩擦起电材料由同种材料组成或由多种不同材料组成。

优选地，所述第一摩擦起电层和所述摩擦发光部件中的摩擦起电材料中的一者由聚四氟乙烯构成，另一者由尼龙或聚氨酯构成。

优选地，所述摩擦发光部件包括第二摩擦起电层，所述第二摩擦起电层包含摩擦起电材料；所述摩擦发光部件还包括发光层，所述发光层包含电致发光材料。通过所述第一摩擦起电层的下表面和所述第二摩擦起电层的上表面彼此摩擦，沿摩擦轨迹产生变化的电场，激发摩擦轨迹上所述发光层产生光辐射。

优选地，所述发光层的上表面与所述第二摩擦起电层的下表面紧密接触。

所述第二摩擦起电层的厚度达到纳米尺度时，光辐射最强。

优选地，所述发光层中含有的所述电致发光材料为固态发光材料、液态发光材料和/或气态发光材料。

优选地，所述液态发光材料或所述气态发光材料封装在透明密封外壳中。

优选地，所述摩擦发光部件为单层摩擦发光层；通过所述第一摩擦起电层的下表面和所述摩擦发光层的上表面彼此摩擦，沿摩擦轨迹产生变化的电场，激发摩擦轨迹上所述摩擦发光层的电致发光材料产生光辐射。

优选地，所述单层摩擦发光层由电致发光材料形成。