[发明专利]一种高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料及其应用

说明书

本发明公开了一种高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料及其应用，其中高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料包括摩擦起电的高分子材料和均匀掺杂于所述高分子材料中具有压电性和润滑性的无机材料颗粒，所述无机材料颗粒为层状无机材料经溶剂插层剥离后制备的单层与少层混合的层状结构。本发明在传统的高分子摩擦材料中掺杂附着了具有压电性能和润滑性能的无机材料颗粒，使得制备出的电材料具有优异的耐磨性，同时具有有机材料和无机材料单独使用时不具有的电荷辅助捕获能力，极大提升了材料的表面电荷摩擦电荷密度。

技术领域

本发明涉及摩擦起电材料和摩擦纳米发电机，具体涉及一种高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料及其应用。

背景技术

自工业革命以来，内燃机的发明及使用推动了全球经济体迅猛发展，传统一次性化石能源如石油、煤炭、天然气等得到广泛的开发和利用。但随着世界人口数量持续增加，世界经济体的快速发展，人类对能源的需求量不断增加。为了解决上述的能源危机，发展更为清洁环保的可再生能源，新能源的开发和利用已迫在眉睫。太阳能、风能、海洋能等常见的可再生新能源在过去的几十年内得到快速的发展。与此同时，随着物联网的快速发展，在其感知层和应用层有耗能小但数量巨大的传感器节点，传统的用电池或外接电源的供能方式因更换成本高、需大量电线网格等不足已无法满足未来发展需要，摩擦纳米发电机可收集环境中无处不在的低频、无规则的微小机械能并将其转化为电能，为数量巨大的传感器其提供了一种可行的能量供给方式。然而摩擦纳米发电机尚存在输出性能较低、寿命短等问题，因此开发高摩擦电荷密度、高耐磨性的摩擦电材料对摩擦纳米发电机的提高性能和延长寿命至关重要。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种可用于高输出、长寿命的摩擦纳米发电机的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料及其应用。

为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料，包括摩擦起电的高分子材料和均匀掺杂于所述高分子材料中具有压电性和润滑性的无机材料颗粒，所述无机材料颗粒为层状无机材料经溶剂插层剥离后制备的单层与少层混合的层状结构。

进一步地，所述无机材料颗粒占高分子材料的1-3.5wt％。

进一步地，所述无机材料颗粒的粒径小于2μm。

进一步地，所述高分子材料为聚氯乙烯、聚全氟乙丙烯共聚物、聚二甲基硅氧烷、聚碳酸酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚四氟乙烯、聚偏二氯乙烯、聚偏二氟乙烯、聚乙烯醇缩丁醛、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚氨酯、聚二苯基丙烷碳酸酯、聚丙烯腈、聚氯醚、聚萘二甲酸乙二醇酯、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物或丙烯腈-丁二烯-苯乙烯三元共聚物中的一种或任意几种的组合。

进一步地，所述层状无机材料为二硫化钼、二硫化钨、MXene、石墨、石墨烯或氮化硼中的一种或任意几种的组合。

本发明还涉及上述高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料在摩擦纳米发电机中的应用。

本发明与现有技术相比，具有如下技术效果：

1、本发明在传统的高分子摩擦材料中掺杂附着了具有压电性能和润滑性能的单层与少层混合的层状无机材料颗粒，这类无机材料不仅奇数层有良好的压电性，而且试验发现在摩擦起电过程中单层与少层混合的层状无机材料颗粒与高分子材料结合可展现出较强的电子捕获能力，这使得复合后的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料具有了高分子材料和层状无机材料单独作为摩擦电材料时所不具有的高电荷捕获能力，极大提升了材料的表面电荷摩擦电荷密度。因此本发明制备的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料相比于传统的高分子摩擦材料，在改善材料介电性的同时可捕获电荷，不仅提高了材料摩擦电荷密度，而且延长了材料的耐磨损性能。

2、将本发明涉及的高摩擦电荷密度、耐磨损摩擦电材料应用于摩擦纳米发电机，可制备出高输出、长寿命的摩擦纳米发电机，延长摩擦纳米发电机的使用周期。

附图说明