[发明专利]基于3D打印制备摩擦纳米发电机的方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于3D打印的制备摩擦纳米发电机的方法，上述方法包括：配置打印墨水，包括：采用液态的基体材料掺杂功能材料，可选择性添加延凝剂和增稠剂，以调控得到的打印墨水的凝固时间和粘稠度；上述功能材料为用于制备摩擦纳米发电机的各部件的功能材料；以及采用上述打印墨水按照摩擦纳米发电机的各部件的制作顺序依次在基底上进行3D打印，以制备得到摩擦纳米发电机；其中，上述打印墨水在打印前呈液态，在打印预设时长后发生固化并维持形状不变。还公开了一种3D打印装置、由上述制备方法制备得到的摩擦纳米发电机以及可穿戴设备。

技术领域

本公开属于能源器件制备技术领域，涉及一种基于3D打印制备摩擦纳米发电机的方法及装置，还涉及一种由上述制备方法制备得到的摩擦纳米发电机以及可穿戴设备。

背景技术

信息能源技术的发展密切影响着社会经济产业的进步。现在社会能源环境问题依然是限制可持续发展的瓶颈问题。从另一个角度出发，物联网的普及必然带来传感器网络的蓬勃发展。而分布式传感器的供能问题一直是限制该类技术发展的障碍之一。2012年提出的新型绿色的能量收集方式-摩擦纳米发电机(TENG)，不但能有效收集环境中的机械能，对于生物体自身运动产生的机械能也有很高的收集转化效率，这对于未来应用于生物体的传感器的供能问题提供了新的解决方案。

然而，目前的摩擦纳米发电机的主要依靠人工操作实验设备进行制备，尤其是柔性可穿戴式的能量收集装置，在大规模制备和组装过程中带入很多不确定因素。实验发现，同样的材料和设备，不同方式制备的非柔性摩擦纳米发电机的输出性能差异巨大，因此亟需提出一种能够实现一站式摩擦纳米发电机制备的工艺，以促进产业化生产。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种基于3D打印的摩擦纳米发电机的制备方法及装置，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

本公开的第一个方面提供了一种基于3D打印的制备摩擦纳米发电机的方法。上述方法包括：配置打印墨水，包括：采用液态的基体材料掺杂功能材料，可选择性添加延凝剂和增稠剂，以调控得到的打印墨水的凝固时间和粘稠度；上述功能材料为用于制备摩擦纳米发电机的各部件的功能材料；以及采用上述打印墨水按照摩擦纳米发电机的各部件的制作顺序依次在基底上进行3D打印，以制备得到摩擦纳米发电机；其中，上述打印墨水在打印前呈液态，在打印预设时长后发生固化并维持形状不变。

根据本公开的实施例，上述打印墨水包括：电极层打印墨水、介电层打印墨水、支撑层打印墨水、牺牲层打印墨水和封装层打印墨水，上述牺牲层打印墨水在固化后溶于水，上述电极层打印墨水、上述介电层打印墨水、上述支撑层打印墨水和上述封装层打印墨水在固化后不溶于水。

根据本公开的实施例，上述基体材料包括液体状的高分子溶胶或者有机溶剂，为下材料的一种：液体硅胶、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、二氯甲烷溶剂、丙酮、乙醇、三氯甲烷或水。

根据本公开的实施例，上述电极层打印墨水中的功能材料为导电物质，上述导电物质包括导电粉末或导电纤维，上述电极层打印墨水中的上述导电物质的质量分数占比不超过70％。上述导电物质的最大尺寸的粒径小于20μm；上述导电物质包括以下材料的一种或多种：金属镍粉、金属铜粉、银粉、银纳米线、银片、金粉、铝粉、铁粉、碳粉、镍粉、碳纤维、碳纳米管或二维材料Maxen。

根据本公开的实施例，上述介电层打印墨水中的功能材料为高分子物质粉末，上述介电层打印墨水中的上述高分子物质粉末的质量分数占比不超过40％，上述高分子物质粉末的粒径小于20μm。上述介电层打印墨水中的高分子物质粉末包括以下材料的一种或多种：聚四氟乙烯粉末、聚偏氟乙烯粉末、尼龙粉末、FEP粉末、PVA粉末或聚酰亚胺粉末。