[发明专利]一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机及其制备方法

权利要求书

1.一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，至少包括三层，依次层叠为褶皱的弹性体支撑层、褶皱的柔性电极层、褶皱的纳米纤维摩擦材料层，上述三层紧密固定在一起 ，且纳米纤维摩擦材料层紧密嵌合在柔性电极层的褶皱结构中；褶皱的柔性电极层、褶皱的纳米纤维摩擦材料层能够随着褶皱的弹性体支撑层拉伸形变而变形；

制备方法包括以下步骤：

（1）将弹性体支撑层预拉伸0 ~ 200%，然后在其上制备柔性电极层；得到预拉伸的弹性体支撑层和柔性电极层复合体；

（2）将纳米纤维摩擦材料层所需聚合物溶于有机溶剂中，搅拌至完全溶解，得到聚合物纺丝溶液；

（3）利用静电纺丝技术，选择沉积有柔性电极的预拉伸柔性基底即步骤（1）所得预拉伸的弹性体支撑层和柔性电极层复合体作为接收板，在柔性电极层上进行纺丝制备多孔网状的纳米纤维摩擦材料层，所述的静电纺丝操作参数：纺丝电压10 ± 5 kV，接收距离为20± 5 cm，温度在30 ± 5 ℃，湿度在30 ± 5%之间，推进速度0.01 ± 0.005 mL/min；

（4）撤掉弹性体支撑层的预拉伸力，纳米纤维摩擦层和柔性电极层随着预拉伸弹性基底拉伸应力的释放，而同步回缩形成褶皱结构；

（5）将步骤（4）所得复合材料在纳米纤维摩擦材料熔点± 10℃的温度下进行加热处理，处理的时间为使得纳米纤维摩擦材料层的纳米纤维搭接处熔接在一起。

2. 按照权利要求1所述的一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，所述的摩擦纳米发电机的拉伸范围为0 ~ 200%，拉伸比可根据具体应用要求调整。

3.按照权利要求1所述的一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，所述弹性体支撑层材料为商用3M-VHB胶带或可拉伸聚合物。

4.按照权利要求3所述的一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，可拉伸聚合物可选自聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚氨酯弹性体（TPU）、尼龙弹性体（TPAE）。

5.按照权利要求1所述的一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，所述柔性电极层为石墨烯、金、聚乙撑二氧噻吩-聚（苯乙烯磺酸盐）（PEDOT:PSS）任意一种易形成褶皱结构的柔性薄膜电极材料。

6.按照权利要求1所述的一种柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机，其特征在于，所述纳米纤维摩擦材料层为负电性较强的聚合物纳米纤维材料，选自聚偏氟乙烯（PVDF）、聚酰亚胺（PI）、聚对苯二甲酸乙二酯（PET）。

7.制备权利要求1-6任一项所述的柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机的方法，其特征在于，包括如下操作步骤：

（1）将弹性体支撑层预拉伸0 ~ 200%，然后在其上制备柔性电极层；得到预拉伸的弹性体支撑层和柔性电极层复合体；

（2）将纳米纤维摩擦材料层所需聚合物溶于有机溶剂中，搅拌至完全溶解，得到聚合物纺丝溶液；

（3）利用静电纺丝技术，选择沉积有柔性电极的预拉伸柔性基底即步骤（1）所得预拉伸的弹性体支撑层和柔性电极层复合体作为接收板，在柔性电极层上进行纺丝制备多孔网状的纳米纤维摩擦材料层，所述的静电纺丝操作参数：纺丝电压10 ± 5 kV，接收距离为20± 5 cm，温度在30 ± 5 ℃，湿度在30 ± 5%之间，推进速度0.01 ± 0.005 mL/min；

（4）撤掉弹性体支撑层的预拉伸力，纳米纤维摩擦层和柔性电极层随着预拉伸弹性基底拉伸应力的释放，而同步回缩形成褶皱结构；

（5）将步骤（4）所得复合材料在纳米纤维摩擦材料熔点± 10℃的温度下进行加热处理，处理的时间为使得纳米纤维摩擦材料层的纳米纤维搭接处熔接在一起。

8.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，步骤（2）有机溶剂为与聚合物对应的良溶剂。

9.按照权利要求7所述的方法，其特征在于，所述的纳米纤维摩擦材料层的纺丝时间为10 ~ 50 min，其纤维膜厚度可根据纺丝时间调整。

10.权利要求1-6任一项所述的柔性可拉伸单电极摩擦纳米发电机的应用，直接贴附在皮肤上，或设置在服装上，将摩擦纳米发电机设置在人体运动关节部位相应的位置，在人体运动时摩擦纳米发电机与人体接触，作为传感器或者发电机，通过人体的轻微运动驱动摩擦纳米发电机发电，并通过测量输出的电信号来检测人体运动的情况。