一种基于氟化聚酰亚胺薄膜的透明单电极摩擦纳米发电机

技术领域

本发明涉及摩擦纳米发电机和能量收集技术领域，尤其涉及一种基于氟化聚酰亚胺薄膜的透明单电极摩擦纳米发电机，用于手机屏幕表面机械能收集的透明单电极摩擦纳米发电机。

背景技术

生活中的机械能随处可见，为收集这些机械能，近些年来各式各样的能量收集技术得到广泛研究和发展。其中，基于材料之间接触/摩擦起电和静电感应效应、用于将生活中的机械能转化成电能的摩擦纳米发电机因其结构简单、成本低、电学输出性能优异等特点得到广泛研究。单电极式摩擦纳米发电机是其四种基本工作模式的其中一种，该模式的摩擦发电机是将接触副材料的一种通过背部电极接入电路收集电能，另一种接触副材料作为自由端。

手机续航问题一直是备受业界关注的问题。目前提升手机续航的主要途径是从研制高效、大容量的手机电池入手，手机充电的来源主要是电源充电。利用单电极式摩擦纳米发电机来收集日常使用手机时手指与手机屏幕表面的机械能，并将其转化成电能来为手机充电，是一个非常有前景的方向。

现有的应用于手机屏幕表面的摩擦纳米发电机所使用的透明摩擦电薄膜材料是聚对苯二甲酸乙二醇酯。然而，该材料的电负性不强，由其组成的摩擦纳米发电机的电学输出性能不高。因此，制备基于更高电负性薄膜材料的透明单电极摩擦纳米发电机，来收集使用手机时手指与屏幕之间的机械能，并转化成电能来为手机供电，具有良好的商业潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于氟化聚酰亚胺薄膜的透明单电极摩擦纳米发电机，通过对聚酰亚胺进行氟化，方法可以获得成本低、工艺简单、输出性能和透光性良好的摩擦发电薄膜。

本发明所要解决的技术问题，通过以下技术方案予以实现：

一种基于氟化聚酰亚胺薄膜的透明单电极摩擦纳米发电机的特点在于，以氟化聚酰亚胺薄膜作为摩擦起电层、以沉积在氟化聚酰亚胺薄膜表面的氧化锡铟作为电极，组成摩擦发电薄膜；摩擦发电薄膜贴于手机屏幕表面，整流电路输入端与氧化锡铟电极相连，输出端接地；以上氟化聚酰亚胺摩擦起电层、氧化锡铟电极、整流电路共同组成透明单电极摩擦纳米发电机。

所述氟化聚酰亚胺薄膜的制备方法为：将配制的聚酰胺酸溶液旋涂于玻璃基片表面，通过50℃-300℃温度范围内梯度加热的方法使聚酰胺酸溶液热亚胺化，加热结束后薄膜和玻璃基片随炉冷却，然后揭膜获得氟化聚酰亚胺薄膜。

优选地，所述聚酰胺酸溶液的合成方法为：以1:1～3的质量配比，将三氟甲基二氨基联苯和4,4'-(六氟异丙烯)二酞酸酐粉末依次加入到二甲基乙酰胺溶剂中，配置质量分数为12％～18％的溶液，并对上述溶液进行12～24小时的氮气循环和磁力搅拌，获得聚酰胺酸溶液。

优选地，所述氧化锡铟电极通过磁控溅射的方法沉积到氟化聚酰亚胺薄膜的表面。

优选地，氟化聚酰亚胺薄膜的厚度为20～80微米，氧化锡铟电极的厚度为100～1000纳米。

优选地，摩擦纳米发电机贴附于手机屏幕表面时，氧化锡铟电极侧与屏幕表面贴合，氟化聚酰亚胺薄膜侧作为摩擦起电层。

优选地，整流电路为桥式整流电路，整流桥的输入端连接氟化聚酰亚胺薄膜背部的氧化锡铟电极，输出端接地，负载端连接所需供电的负载。

附图说明

图1为本发明透明单电极摩擦纳米发电机结构图。

图2为本发明透明单电极摩擦纳米发电机的透光度测试数据曲线。

图3为本发明透明单电极摩擦纳米发电机的接触起电实验短路电荷密度测试及其与未氟化聚酰亚胺性能对比。

图4为本发明透明单电极摩擦纳米发电机的摩擦起电实验短路电荷密度测试及其与未氟化聚酰亚胺性能对比。

图5为本发明透明单电极摩擦纳米发电机的摩擦系数测试及其与未氟化聚酰亚胺性能对比。

图6为本发明透明单电极摩擦纳米发电机为电容充电的测试数据。

其中，1-氟化聚酰亚胺薄膜，2-氧化锡铟电极，3-手机屏幕，4-整流电路。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。

实施例1：

氟化聚酰亚胺薄膜的制备：

以1：1～3的质量配比，将三氟甲基二氨基联苯和4,4'-(六氟异丙烯)二酞酸酐粉末依次加入到二甲基乙酰胺溶剂中，配置质量分数为12～18％的溶液，并对上述溶液进行12～24小时的氮气循环和磁力搅拌，获得聚酰胺酸溶液。将配制的聚酰胺酸溶液旋涂于玻璃基片表面，通过50～300℃温度梯度加热的方法使聚酰胺酸溶液热亚胺化，加热结束后薄膜和玻璃基片随炉冷却，然后揭膜获得氟化聚酰亚胺薄膜1。

基于氟化聚酰亚胺薄膜的透明单电极摩擦纳米发电机的制备：

将上述制备的氟化聚酰亚胺薄膜1作为摩擦起电层，将氧化锡铟电极2通过磁控溅射的方法沉积到氟化聚酰亚胺薄膜1的表面作为电极，组成摩擦发电薄膜，摩擦发电薄膜贴于手机屏幕3表面，桥式整流电路4输入端与氧化锡铟电极2相连，输出端接地，组成本发明所述的透明单电极摩擦纳米发电机，结构示意如图1所示。

用紫外可见分光光度计对摩擦纳米发电机薄膜的透光率进行测定，测试采用的波长扫描范围为300～1100纳米。本实施例的摩擦纳米发电机在可见光范围内透光率达到90％以上，如图2所示，可满足手机屏幕对透光度的商业化要求。

实施例2：

通过接触-分离实验，对未氟化的聚酰亚胺薄膜和实施例1中氟化聚酰亚胺透明单电极摩擦纳米发电机的接触起电短路电荷量进行测试，并计算了相应的短路电荷密度。

以未氟化的聚酰亚胺薄膜作为摩擦电正性薄膜摩擦层的摩擦纳米发电机短路电荷密度为15.47微库仑/平方米；实施例1的基于氟化聚酰亚胺薄膜的摩擦纳米发电机短路电荷密度为24.82微库仑/平方米。由此可见，实施例1的基于氟化聚酰亚胺薄膜的摩擦纳米发电机电学输出性能提高了60～70％，如图3所示。

实施例3：

进行往复滑动实验，对未氟化的聚酰亚胺薄膜和实施例1中氟化聚酰亚胺薄膜组成的单电极擦纳米发电机的电学输出性能分别进行实验测试，对比发现实施例1中的氟化聚酰亚胺透明单电极摩擦纳米发电机的摩擦起电性能有了一定提高，如图4所示。

以未氟化的聚酰亚胺薄膜作为摩擦层摩擦纳米发电机的摩擦系数为0.506；实施例1中摩擦纳米发电机的摩擦系数为0.417，如图5所示。由此可见，实施例1中的摩擦纳米发电机的摩擦系数降低了20％。

实施例4：

将实施例1中基于氟化聚酰亚胺薄膜的透明单电极摩擦纳米发电机应用于手机屏幕,测试其收集手指轻拍屏幕的机械能，并转化成电能来为电容(电容电压50伏，容量1微法)充电的性能。

手指单次轻拍贴附了该透明单电极摩擦纳米发电机的收集屏幕表面，可使1微法的电容电压上升0.18伏，如图6所示。由此可见，实施例1的摩擦纳米发电机可有效将机械能转化成电能充入到电容。