[发明专利]一种纳米发电机用仿生摩擦层及其制备方法

说明书

本发明公开了一种纳米发电机用仿生摩擦层及其制备方法，包括如下步骤：首先配置含氟聚合物溶液；再将所得溶液加入注射器，并在静电场环境下以液滴和纤维的形式同时喷射到覆有铝箔的滚轮接收器上；其次，在常温干燥、挥发溶剂后，从铝箔上剥离含氟聚合物摩擦层，最终得到具有三种仿生结构的摩擦层；本发明成功将多孔摩擦层的孔径降低到400nm以下，厚度降低为十几个微米，并同时在其上下表面分别自组装疏水和亲水的仿生结构，在通过纳孔结构引起的附加静电效应显著提高材料电性能的同时，还提高了材料的性能稳定性与使用舒适度；本发明制备工艺简易，操作简便，成本低廉，可批量化生产。

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电技术领域，具体地指一种具有仿生疏水、纳孔、亲水结构的纳米发电机用摩擦层及其制备方法。

背景技术

近年来，可穿戴电子设备与便携式电子器件发展迅速，被广泛运用于物联网、无线传感系统、人机交互、健康监测、安全系统、智能皮肤等领域；可穿戴与便携式电子器件的广泛应用也为其供能单元提出了新的要求；传统化学电池非柔性、质量重、污染大；一些新型电池，如直接醇类燃料电池、柔性薄膜太阳能电池等，要么造价昂贵，要么高度依赖于天气条件；上述缺陷限制了其在可穿戴电子器件供能领域的应用。

作为一种稳定的供能单元，摩擦纳米发电机柔性好、质量轻、环境友好、造价低，能够将多种尺度的机械能转变为电能；由于人体运动的多尺度性，为了给便携式电子器件供能，身体是摩擦纳米发电机将生物机械能转变为电能的良好媒介；因此，可穿戴摩擦纳米发电机备受关注；在衡量可穿戴摩擦纳米发电机的多项指标中，输出性能、性能稳定性与使用舒适度十分重要。

在提高摩擦纳米发电机的输出性能方面，人们在优化材料的摩擦电序、表面形貌、表面粗糙度、表面吸附性、内部结构等方面做了大量工作；其中，构筑多孔结构具有多项优点：第一，多孔结构的存在可以增加材料的有效接触面积，使摩擦层表面束缚更多的电荷；第二，多孔结构会使材料内部产生更多的感应电荷，产生附加的静电效应；第三，多孔结构的存在会提高材料的柔性、可压缩性，降低材料的有效厚度，在材料发生形变时，产生更大的相对电容；第四，与网络结构相比，多孔结构较为封闭，可有效减弱感应电荷的耗散；牺牲模板法是制备多孔摩擦层材料的主要方法；常见的牺牲模板有糖、氯化钠、碳酸钠；虽然将上述材料作为牺牲模板使得摩擦纳米发电机的输出性能有所提高，但也存在着不少缺陷：第一，所得多孔材料太厚（至少达到280μm），不能满足轻质、小型化的要求；此外，材料过厚会延长电极电荷的清零时间，对输出性能的提高产生限制；第二，所得孔结构孔径过大（至少为10μm），且由于牺牲模板的团聚，孔结构分布不均，孔径分布不均，造成纳米发电机的性能提高不明显；第三，牺牲模板法工艺复杂，浪费模板材料，难以制备大面积的膜材料；由于这些缺陷，这类方法所制得摩擦纳米发电机的最优电流密度仅为16.7μA/cm²；为解决上述第二个问题，可选用苯乙烯纳米球作为牺牲模板，将孔径缩减到0.5μm，输出电流密度提高到32μA/cm²；但聚苯乙烯纳米球的高制备成本与高合成难度限制了该方法的实际应用；除牺牲模板法外，采用气凝胶作为多孔摩擦层不会造成模板浪费，其孔结构尺寸较小，分布较为均匀，但所得摩擦层的厚度仍超过300μm，电流密度仅为2.15μA/cm²；此外，气凝胶的制备难度大、工艺复杂，难以大面积制备，不利于推广；除了模板法与使用气凝胶材料，冷压电纺纤维毡也是一种制备多孔摩擦层的方法；该方法可将材料的厚度减小到十几到几十个微米，因此其输出电流密度可以提高到2.58μA/cm²；但冷压法无法给材料施加均匀的应力，势必造成不均匀的孔结构分布与孔径大小，限制了其输出性能的进一步提高；故需要一种新方法在制备分布均匀、尺寸均一的纳米多孔结构的同时，在保证材料机械强度的前提下，将摩擦层的厚度减小为十几个微米。