一种柔性连通型全封闭摩擦纳米发电机阵列

技术领域

本发明属于摩擦纳米发电技术领域，特别涉及一种柔性连通型全封闭摩擦纳米发电机阵列。

背景技术

摩擦起电效应是日常生活中不可避免会经历的现象，利用摩擦起电和电荷耦合作用，2012年，王中林教授发明了摩擦纳米发电机(TENG)，可将机械能如自然界中的能量及人体运动产生的能量转化为电能，为新能源的收集提供了新思路。

但TENG的摩擦材料绝大部分为高分子膜，在高湿度、下雨、下雪或薄雾等环境条件下，摩擦材料易被破坏或者在表面形成一层水层，会导致表面电荷密度快速消散，并导致TENG的电输出降低。因此制作封闭型TENG可有效对抗外界条件，从而使电性能输出不受影响。由于很多封闭结构由硬质的亚克力材质制成，笨重且有效接触面积小，而其他一些柔性封闭结构在受到外力时，内部空气产生的压强导致摩擦材料不能有效充分接触，降低了其灵敏度。

文献(Jiang T,Yao Y,Xu L,Zhang L,Xiao T,Wang ZL.Spring-assistedtriboelectric nanogenerator for efficiently harvesting water wave energy.NanoEnergy.2017；31:560-7)中使用硬质亚克力板为基底制作笨重的收集水波能的装置。文献(Zhang Z,Bai Z,Chen Y,Guo J.Versatile triboelectric nanogenerator with ahermetic structure by air supporting for multiple energy collection.NanoEnergy.2019；58:759-67.)中使用乳胶气球为外壳，柔性好，但在受到外力时，易使两摩擦材料不易充分接触。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种柔性连通型全封闭摩擦纳米发电机阵列，以克服现有技术中柔性封闭型摩擦纳米发电机灵敏度不佳的缺陷。

本发明提供一种柔性连通型全封闭摩擦纳米发电机阵列，所述阵列包括柔性封闭壳体、第一摩擦层、第二摩擦层和背部电极，所述柔性封闭壳体是由n个相互连通的空腔单元构成，所述第一摩擦层在所述空腔单元顶部，所述第二摩擦层在所述空腔单元底部，所述电极位于所述第二摩擦层的下方，其中n≥2。

优选地，上述阵列中，所述空腔单元的形状包括正方形，矩形，圆形或六边形。

优选地，上述阵列中，所述空腔单元壳体的高度≥2mm。

优选地，上述阵列中，所述空腔单元材料为柔性的硅橡胶。

优选地，上述阵列中，所述第一摩擦层材料与第二摩擦层材料存在摩擦电极序差异。

更优选地，上述阵列中，所述第一摩擦层材料和第二摩擦层材料包括聚羟基丁酸-戊酯，聚偏氟乙烯，聚酰亚胺，聚酰胺，聚甲基丙烯酸甲酯，聚四氟乙烯，聚氨酯，聚乙烯，聚丙烯，聚苯乙烯，聚丙烯腈，纤维素，聚氯乙烯，聚乳酸，聚己内酯，聚碳酸脂，聚二甲基硅氧烷，硅橡胶中的一种。

本发明还提供一种柔性连通型全封闭摩擦纳米发电机阵列的应用。比如用于湿度环境。

本发明采用柔性封装材料，且将每个小TENG构筑气体连通通道来平衡各个TENG内部气压，防水的同时，使摩擦材料在外力作用下更容易接触，进而提升摩擦纳米发电机的灵敏度。比如在刮风、下雨等恶劣环境及收集人走路、跑步、手指按压等情况下，使机械能更容易转换为电能。

(1)本发明操作简单，材料常规易得，低成本，无毒无害；

(2)作为防水封闭结构，可不受外界环境条件所影响；

(3)构筑连接通道的TENG阵列，在受力时可有效平衡内部气压，从而使机械能更容易转换为电能。

附图说明

图1为本发明柔性连通型全封闭TENG阵列的总体结构示意图；

图2为本发明柔性连通型全封闭TENG阵列的剖面结构，其中1为柔性硅橡胶壳体，2为第一摩擦层，3为第二摩擦层，4为电极；

图3为本发明实施例1模拟下雨分别滴落在连通型封闭TENG阵列(#1)和非连通型封闭TENG(#2)上的电性能输出图；

图4为本发明实施例2分别采用表面无结构的热塑性聚氨酯膜(#1)、使用荷叶模板制备的表面有突起的热塑性聚氨酯膜(#2)得到的全封闭摩擦纳米发电机阵列的的电性能输出图；

图5为本发明实施例3中不同空腔单元高度的全封闭摩擦纳米发电机阵列的的电性能输出图。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

硅橡胶(Smooth-On，Ecoflex 00-50)购自深圳宏业捷科技有限公司。热塑性聚氨酯(TPU)颗粒(1195A10004 CNF3 310528)购自中国上海上海巴斯夫有限公司。聚二甲基硅氧烷(PDMS)(SYLGARD184)购自中国道康宁公司。

将TPU颗粒添加到N，N-二甲基甲酰胺(DMF)中，80℃下溶解24小时，制备得到20wt％的TPU溶液，取一定量的TPU溶液刮涂于洁净平整的玻璃板上，室温下，待溶剂挥发，即得到一定厚度(30μm)的表面无结构的TPU膜。

将PDMS单体和交联剂(重量比为10：1)在搅拌下混合以形成均匀溶液，然后静置以除去气泡。将PDMS混合溶液涂布在干净且平整的的荷叶上，室温下固化，将固化后的PDMS膜从荷叶上剥离，即得到表面有凹陷结构的PDMS膜；将上述相同的TPU溶液以相同的方法刮涂于上述PDMS膜上，室温下待溶剂挥发，即得到相同厚度的表面有突起的荷叶结构的TPU膜。

实施例1

如图1所示，本实施例提供一种柔性连通型全封闭摩擦纳米发电机阵列，柔性封闭壳体是由3×3个相互连通的空腔单元构成，空腔单元为正方体，空腔单元高度h为2mm。如图2所示，为柔性连通型全封闭TENG阵列的剖面结构，热塑性聚氨酯作为摩擦正极材料位于空腔单元顶部，硅橡胶作为摩擦负极材料位于空腔单元底部，电极为导电布位于硅橡胶下方，整个空腔单元为柔性硅橡胶封装的全封闭结构。将非连通结构的全封闭式摩擦纳米发电机阵列(空腔单元不连通，其余与上述柔性连通型全封闭摩擦纳米发电机阵列相同)作为对照。连通结构相比于非连通结构，更容易使机械能转换为电能，通过淋浴头上下喷水到器件上来模拟日常下雨，如图3所示，#1为模拟下雨滴落在连通型封闭TENG阵列上的电性能输出，#2为雨滴落在非连通型封闭TENG上的电性能输出，由图可知，#1相比#2有更明显的输出，体现了连通结构的优越性。

实施例2

如图1所示，本实施例提供一种柔性连通型全封闭摩擦纳米发电机阵列，柔性封闭壳体是由3×3个相互连通的空腔单元构成，空腔单元为正方体，空腔单元高度h为2mm。如图2所示，为柔性连通型全封闭TENG阵列的剖面结构，#1为表面无结构的热塑性聚氨酯膜作为摩擦正极材料位于空腔单元顶部，硅橡胶作为摩擦负极材料位于空腔单元底部，电极为导电布位于硅橡胶下方，整个空腔单元为柔性硅橡胶封装的全封闭结构。#2为使用荷叶模板制备的表面有突起的热塑性聚氨酯膜作为摩擦正极材料，其余同上。将TENG固定于线性马达的一端，线性马达的另一端以频率3Hz的速率进行往复运动，如图4所示为#1和#2的TENG的电性能输出。由图可知，#2相比#1有更明显的输出，体现了改善摩擦材料的表面结构有利于增加TENG的输出。

实施例3

如图1所示，本实施例提供一种柔性连通型全封闭摩擦纳米发电机阵列，柔性封闭壳体是由3×3个相互连通的空腔单元构成，空腔单元为正方体，空腔单元高度为h。如图2所示，为柔性连通型全封闭TENG阵列的剖面结构，热塑性聚氨酯作为摩擦正极材料位于空腔单元顶部，硅橡胶作为摩擦负极材料位于空腔单元底部，电极为导电布，位于硅橡胶下方，整个空腔单元为柔性硅橡胶封装的全封闭结构。如图5所示，改变空腔单元的高度h时，将TENG固定于线性马达的一端，线性马达的另一端以频率3Hz的速率进行往复运动，TENG的电性能输出不同。当空腔单元高度h从2mm增加到6mm时，电压输出先增大后减小，h为4mm时，电性能输出最优。

对比例1

对比文献(Nie S,Guo H,Lu Y,Zhuo J,Mo J,Wang ZL.SuperhydrophobicCellulose Paper-Based Triboelectric Nanogenerator for Water Drop EnergyHarvesting.Advanced Materials Technologies.2020.)中涉及的鼓状TENG六角形非连通阵列，每个单元实际摩擦面积为20cm