[发明专利]一种基于PDMS复合膜的摩擦纳米发电机及其应用

说明书

本发明公开了一种基于PDMS复合膜的摩擦纳米发电机，加入还原氧化石墨烯和氟化乙烯丙烯填充材料后获得电学性能增强的可拉伸摩擦纳米发电机。此外，本发明还公开了该PDMS复合膜在材料成膜工艺中通过微滤模塑获得周期性微结构改性，可制备大面积PDMS复合薄膜，符合成本效益。本发明所得优化后的摩擦纳米发电机可以提供高达826V和24μA的输出电压和电流，比纯聚二甲基硅氧烷的摩擦纳米发电机性能高出27倍。本发明公开的摩擦纳米发电机可用于制备自供能可穿戴设备，通过各种人类活动获得能量。本发明提供了一种简单、高可调性和可普适的方法来制造具有高功率输出的摩擦纳米发电机，有利于进一步开发机械能量采集装置用于自充电电源系统和可穿戴电子设备。

技术领域

本发明涉及一种摩擦纳米发电机，具体说，是一种基于PDMS复合膜的摩擦纳米发电机及其可穿戴设备的应用，属于新材料再生能源技术领域。

背景技术

进入21世纪后，互联网、人工智能、生物医疗、电子信息等一批新兴科技领域得到了飞速发展。在给人们的生活带来方便时，也给未来社会的发展提供了更清晰的方向。同时，微电子器件也得益于上述科技的发展而得到了广泛的应用：体积不断缩小、功能不断丰富，被使用于多个领域：如健康监测、疾病治疗、智能家居、移动数据分析处理、无人侦察、移动消费等，已经完全进入人们生活的方方面面。

微电子器件的功能虽然丰富，但其续航一直是难以解决的问题。传统的家用、医用、军用电子设备，供电一直很稳定：均依靠电缆输入电力，只要发电厂保证电流供应不间断，设备便可以一直正常工作。但是微电子器件的优势在于便携，是需要随着使用要求而不断变更使用场景的，不可能依靠有线电源工作，只能内置移动电源(电池)。碍于体积，内置的移动电源无法积蓄太多的电量，因此其续航时间注定不会很久，这也是微电子器件无法进一步发展的原因。

因此，研发一种续航久、体积小的新型供电模式，对于解决微电子器件的使用限制有着重要意义，将促进微电子器件在各个领域的应用程度，极大的提升人类的生活水平。可否研发一种自发电的设备，自己解决供电问题，不依赖外部输入。人体运动所产生的能量属于机械能，且蕴藏很多的能量。有研究标明，一位50kg重的成年人，每小时大约会消耗110卡的能量，用以维持生命，保证正常的身体数据。而这些能量许多都被浪费了，一个人一生中大约有30％以上的能量未得到有效利用。如果可以把这些能量都收集起来，再结合全球近80亿的人口，将会是一个天文数字，约相当于12座百亿千瓦级的核电厂所发出的电量。

基于芯片技术的快速发展，现如今的很多智能穿戴设备，都可以做到低功耗运行，所需要的能量并不会太多，如华为手表、小米手环、谷歌眼镜等，几百毫安时的电量可以保证使用10天以上。如果可以将人体运动(跑、走、跳)所产生的能量用于给智能穿戴设备供电，将有效解决续航焦虑。

摩擦纳米发电机自研制成功以来，一直是作为优选的自供能装置。由于接触起电和静电感应的耦合作用，摩擦纳米发电机(TENG)的输出性能高度依赖于材料的表面电荷密度，这主要受电荷诱导能力(接触表面特性)和电荷捕获能力(电介质特性)的影响。为了追求高输出功率，人们做了大量的研究工作，包括表面微/纳米结构改性、表面功能化、避免击穿和三电材料工程等。在聚合物中填充纳米材料不仅可以增强聚合物获取或失去电子的能力，而且可以改变摩擦纳米发电机(TENGs)的表面形态，增加接触面积，这是提高摩擦纳米发电机(TENGs)输出功率密度的有效方法。目前已有多种纳米材料作为填充物与聚合物一起制备复合材料作为摩擦纳米发电机(TENGs)的三电层，包括碳基材料、金属纳米颗粒、MoS2、高渗透性纳米颗粒、MOF、MXene和黑磷。

聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种良好的电活性柔性聚合物，高聚物驻极体材料，具有安全无毒、疏水性防水性皆好、低杨氏模量、良好的化学惰性、同硅片之间具有良好的粘附性，生物兼容性好、弹性透明、制作简便且快速及成本低等优点，被广泛应用于柔性材料中，如纳米发电机、纳米器件和微纳传感器等。聚二甲基硅氧烷(PDMS)容易通过填充纳米颗粒或者含氟聚合物改性，或者通过表面或者内部图形化来制备复合柔性薄膜，组装成摩擦纳米发电机负摩擦层材料。