專利名稱：高功率納米摩擦發(fā)電機的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種摩擦發(fā)電機，尤其是涉及一種高功率納米摩擦發(fā)電機。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代生活水平不斷提高，生活節(jié)奏不斷加快，出現(xiàn)了應(yīng)用方便、對環(huán)境依賴度低的自發(fā)電設(shè)備。現(xiàn)有的自發(fā)電設(shè)備通常利用材料的壓電特性。例如2006年，美國佐治亞理工學(xué)院教授王中林等成功地在納米尺度范圍內(nèi)將機械能轉(zhuǎn)換成電能，研制出世界上最小的發(fā)電機-納米發(fā)電機。納米發(fā)電機的基本原理是:當(dāng)納米線(NWs)在外力下動態(tài)拉伸時，納米線中生成壓電電勢，相應(yīng)瞬變電流在兩端流動以平衡費米能級。物體和物體之間相互進行摩擦，就會使一方帶上負電，另一方帶上正電，由于物體間摩擦產(chǎn)生的電叫摩擦電。摩擦電是自然界最常見的現(xiàn)象之一，但是因為很難收集利用而被忽略。如果能夠?qū)⒛Σ岭姂?yīng)用到自發(fā)電設(shè)備中，勢必會給人們的生活帶來更多的便利。

實用新型內(nèi)容本實用新型解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有摩擦發(fā)電機輸出能量不高的缺陷，提供了一種高功率納米摩擦發(fā)電機，利用設(shè)有納米孔的聚偏氟乙烯作為高分子聚合物層進行摩擦，摩擦效果好，電壓和電流輸出高，實現(xiàn)了摩擦發(fā)電機的高能量輸出。為了解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供的技術(shù)方案是，一種納米摩擦發(fā)電機，包括依次層疊設(shè)置的第一電極層，高分子聚合物層，以及摩擦電極層；高分子聚合物層的相對摩擦電極層的面上設(shè)有多個納米孔；所述第一電極層和摩擦電極層為摩擦發(fā)電機的電壓和電流輸出電極。前述的納米摩擦發(fā)電 機，所述高分子聚合物層所用材料是聚偏氟乙烯(PVDF)。前述的納米摩擦發(fā)電機，所述高分子聚合物層表面上設(shè)置的納米孔寬度為IO-1OOnm,以及深度為 4-50 μ m。前述的納米摩擦發(fā)電機，所述摩擦電極層所用材料選自金屬或合金，厚度為0.05-0.2mm。前述的納米摩擦發(fā)電機，所述摩擦電極層包括層疊設(shè)置的摩擦薄膜層和第二電極層，所述摩擦薄膜層相對高分子聚合物層設(shè)置。前述的納米摩擦發(fā)電機，所述摩擦薄膜層所用材料是纖維薄膜或聚氯乙烯(PVC)。前述的納米摩擦發(fā)電機，所述摩擦電極層或高分子聚合物層向外拱起形成凸面，使得摩擦電極層與高分子聚合物層之間形成間隙。前述的納米摩擦發(fā)電機，所述第一電極層所用材料是金屬或合金。本實用新型采用具有多個納米孔的高分子聚合物層與摩擦電極層進行摩擦，摩擦效果好，實現(xiàn)了摩擦發(fā)電機的高能量輸出。

[0014]圖1為本實用新型納米摩擦發(fā)電機一種具體實施方式
的立體示意圖。圖2為本實用新型圖1納米摩擦發(fā)電機的剖面示意圖。圖3為本實用新型納米摩擦發(fā)電機另一種具體實施方式
的立體示意圖。圖4為本實用新型圖3納米摩擦發(fā)電機的剖面示意圖。圖5為本實用新型生長有氧化鋅納米線的硅基底示意圖。圖6為本實用新型涂覆PVDF的硅基底示意圖。圖7為本實用新型基底分離示意圖。圖8為本實用新型納米摩擦發(fā)電機又一種具體實施方式
的立體示意圖。圖9為本實用新型圖8納米摩擦發(fā)電機的剖面示意圖。圖10為本實用新型納米摩擦發(fā)電機再一種具體實施方式
的立體示意圖。圖11為本實用新型圖10納米摩擦發(fā)電機的剖面示意圖。
具體實施方式
為充分了解本實用新型之目的、特征及功效，借由下述具體的實施方式，對本實用新型做詳細說明。本實用新型是一種高功率納米摩擦發(fā)電機，當(dāng)本實用新型的摩擦發(fā)電機的各層向下彎曲時，摩擦發(fā)電機中的摩擦電極層與高分子聚合物層表面相互摩擦產(chǎn)生靜電荷，靜電荷的產(chǎn)生會使第一電極和摩擦電極層之間的電容發(fā)生改變，從而導(dǎo)致第一電極和摩擦電極層之間出現(xiàn)電勢差。由于第一電極層和摩擦電極層之間電勢差的存在，自由電子將通過外電路由電勢低的一側(cè)流向電勢高的一側(cè)，從而在外電路中形成電流。當(dāng)本實用新型的摩擦發(fā)電機的各層恢復(fù)到原來狀態(tài)時，這時形成在第一電極層和摩擦電極層之間的內(nèi)電勢消失，此時已平衡的第一電極層和摩擦電極層之間將再次產(chǎn)生反向的電勢差，則自由電子通過外電路形成反向電流。通過反復(fù)摩擦和恢復(fù)，就可以在外電路中形成周期性的交流電信號。本發(fā)明采用具有多個納米孔的高分子聚合物層與摩擦電極層進行摩擦，由于設(shè)置的納米孔使得高分子聚合物層表面粗糙度增加，增加了摩擦電量；另外，每一個納米孔相當(dāng)于一個微型電容，能夠起到存儲電荷的作用，避免了摩擦電在瞬間釋放，從而增加了第一電極層和摩擦電極層之間的電勢差，電壓和電流輸出高，實現(xiàn)了摩擦發(fā)電機的高能量輸出。如圖1和2所示，本實用新型一種具體實施方式
的高功率納米摩擦發(fā)電機，包括依次層疊設(shè)置的第一電極層1，高分子聚合物層2，以及摩擦電極層3 ;高分子聚合物層2的相對摩擦電極層3的面上設(shè)有多個納米孔4 ;其中，摩擦電極層3包括摩擦薄膜層31和第二電極層32，所述摩擦薄膜層31相對高分子聚合物層2設(shè)置。所述高分子聚合物絕緣層2與摩擦薄膜層31的相對表面接觸摩擦，并在第一電極層I和第二電極層32處感應(yīng)出電荷；所述第一電極層I和第二電極層32為摩擦發(fā)電機的電壓和電流輸出電極。第一電極層I和第二電極層32對所用材料沒有特殊規(guī)定，能夠形成導(dǎo)電層的材料都在本實用新型的保護范圍之內(nèi)，例如是銦錫氧化物、石墨烯、銀納米線膜、金屬或合金，其中金屬是金、銀、鉬、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、錫、鐵、錳、鑰、鎢或釩；合金是鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、猛合金、鎳合金、鉛合金、錫合金、鎘合金、秘合金、銦合金、鎵合金、鎢合金、鑰合金、鈮合金或鉭合金。本實用新型優(yōu)選的第一電極層I和第二電極層32材料是銅或鋁，厚度為0.05-0.2mm。在本實施方式中，高分子聚合物層2所用材料是聚偏氟乙烯(PVDF)，其厚度為0.5-1.2mm (優(yōu)選1mm)，且其相對摩擦電極層3的面上設(shè)有多個納米孔4。每個納米孔4的尺寸，即寬度和深度，可以根據(jù)應(yīng)用的需要進行選擇，優(yōu)選的納米孔4的尺寸為:寬度為IO-1OOnm以及深度為4_50 μ m。這些多個納米孔4可以均勻也可以不均勻的分布在摩擦電極層3的面上，優(yōu)選納米孔4均勻的分布在摩擦電極層3的面上，納米孔4的數(shù)量可以根據(jù)需要的輸出電流值和電壓值進行調(diào)整，優(yōu)選的這些多個納米孔4是孔間距為2-30 μ m的均勻分布，更優(yōu)選的平均孔間距為9 μ m的均勻分布。摩擦薄膜層31所用材料可以是纖維薄膜(紙)或聚氯乙烯(PVC)等，厚度為0.2-1.5_。摩擦薄膜層31所用材料優(yōu)選銅版紙或牛皮紙等，市售的各種規(guī)格的銅版紙或牛皮紙均可應(yīng)用于本實用新型，更優(yōu)選的是規(guī)格100-250g/m2的銅版紙和規(guī)格80 120g/m2的牛皮紙。采用纖維薄膜(紙)作為摩擦薄膜層31，使得整個摩擦發(fā)電機的成本得到了極大的降低。根據(jù)發(fā)明人的研究發(fā)現(xiàn)，要提高納米摩擦發(fā)電機的能量輸出，相互接觸的摩擦層的兩種材料的配對是一種非常重要的影響因素。例如，紙與聚偏氟乙烯薄膜(PVDF)摩擦?xí)r，輸出的功率和電壓高。如圖3和4所示，本實用新型另一種具體實施方式
的高功率納米摩擦發(fā)電機，包括依次層疊設(shè)置的第一電極層1，高分子聚合物層2，以及摩擦電極層3 ;高分子聚合物層2的相對摩擦電極層3的面上設(shè)有多個納米孔4。所述高分子聚合物絕緣層2與摩擦電極層3的相對表面接觸摩擦，并在第一電極層I和摩擦電極層3處感應(yīng)出電荷；所述第一電極層I和摩擦電極層3為摩擦發(fā)電機的電壓和電流輸出電極。第一電極層I對所用材料沒有特殊規(guī)定，能夠形成導(dǎo)電層的材料都在本實用新型的保護范圍之內(nèi)，例如是銦錫氧化物、石墨烯、銀納米線膜、金屬或合金，其中金屬是金、銀、鉬、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、錫、鐵、錳、鑰、鎢或釩；合金是鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、猛合金、鎳合金、鉛合金、錫合金、鎘合金、秘合金、銦合金、鎵合金、鶴合金、鑰合金、鈮合金或鉭合金。本實用新型優(yōu)選的第一電極層I材料是銅或鋁，厚度為0.05-0.2mm。在本實施方式中，高分子聚合物層2所用材料是聚偏氟乙烯(PVDF)，其厚度為0.5-1.2mm(優(yōu)選1.0mm)，且其相對摩擦電極層3的面上設(shè)有多個納米孔4。其中，每個納米孔4的尺寸，即寬度和深度，可以根據(jù)應(yīng)用的需要進行選擇，優(yōu)選的納米孔4的尺寸為:寬度為IO-1OOnm以及深度為4-50 μ m。這些多個納米孔4可以均勻也可以不均勻的分布在摩擦電極層3的面上，優(yōu)選納米孔4均勻的分布在摩擦電極層3的面上，納米孔4的數(shù)量可以根據(jù)需要的輸出電流值和電壓值進行調(diào)整，優(yōu)選的這些多個納米孔4是孔間距為2-30 μ m的均勻分布，更優(yōu)選的平均孔間距為9 μ m的均勻分布。根據(jù)發(fā)明人的研究發(fā)現(xiàn)，金屬與高分子聚合物摩擦，金屬更易失去電子，因此采用金屬電極與高分子聚合物摩擦也能提高能量輸出。因此，優(yōu)選的摩擦電極層3所用材料是金屬或合金，其中金屬是金、銀、鉬、鈀、鋁、鎳、銅、鈦、鉻、錫、鐵、錳、鑰、鎢或釩；合金是鋁合金、鈦合金、鎂合金、鈹合金、銅合金、鋅合金、猛合金、鎳合金、鉛合金、錫合金、鎘合金、秘合金、銦合金、鎵合金、鶴合金、鑰合金、銀合金或鉭合金,更優(yōu)選的摩擦電極層3材料是銅或鋁，厚度為0.05-0.2mm。下面詳細說明上述高功率納米摩擦發(fā)電機的制備方法。該方法包括如下步驟:( I)制備具有納米線的基底在基底的一個表面上垂直生長氧化鋅納米線，得到具有納米線的基底。本實用新型可以使用的基底可以是娃基底，鍛金或鍛絡(luò)的玻璃基底等。本實用新型采用常規(guī)水熱法生長氧化鋅納米線陣列，例如采用環(huán)六亞甲基四胺(HMTA)和硝酸鋅六水合物(ZnNO3.6 (H2O))的混合物作為培養(yǎng)液，在適當(dāng)?shù)臏囟壤?0-95°C下，在硅基底上生長氧化鋅納米線陣列。具體的，在一個具體實施方式
中，采用常規(guī)噴射濺鍍在硅基底的一個面上生成一個厚度30-50nm的氧化鋅種子層。采用0.lmol/L濃度的由等摩爾的環(huán)六亞甲基四胺(HMTA)和硝酸鋅六水合物(ZnNO3 *6 (H2O))組成的培養(yǎng)液，將硅基底的生成有氧化鋅種子層的面朝下，放在培養(yǎng)液頂部，在85°C下在機械對流加熱爐(型號:Yamato DKN400，加利福尼亞，圣克拉拉)中生長，用去離子水沖洗生長有氧化鋅納米線的硅基底并在空氣中干燥，得到氧化鋅納米線陣列。本實用新型對氧化鋅納米線的斷面形狀沒有特殊要求，規(guī)則矩形、六邊形、圓形或正方形等均可以應(yīng)用于本實用新型。如圖5所示，是生長有圓形斷面的氧化鋅納米線的硅基底的示意圖。應(yīng)當(dāng)理解的是，本領(lǐng)域技術(shù)人員容易根據(jù)需要的氧化鋅納米線的寬度，深度以及間距，調(diào)整納米氧化鋅線的生長工藝條件，例如培養(yǎng)液濃度，生長溫度和時間，使得所得氧化鋅納米線陣列優(yōu)選的均勻分布，且滿足使用要求，例如延長生長時間改變氧化鋅納米線的寬度和長度。(2)制備具有納米孔的高分子聚合物薄膜將聚合物材料的溶液涂覆于生長有氧化鋅納米線的基底上，固化成高分子聚合物膜，然后分離基底，去除氧化鋅納米線，得到具有納米孔的高分子聚合物薄膜。本實用新型所述固化是指:將聚合物材料溶液中的溶劑揮發(fā)掉，形成聚合物薄膜。常規(guī)干燥，加熱蒸發(fā)(例如水浴加熱)的方法均可以應(yīng)用于本實用新型。具體的，將PVDF用二甲基甲酰胺(DMF)溶解PVDF，然后超聲處理，直至PVDF全部溶解；將上述配好的PVDF溶液通過旋轉(zhuǎn)涂覆均勻地直接涂覆在步驟(I)制備的硅基底表面，涂覆完畢后真空干燥。圖6所示是涂覆有聚合物材料的硅基底(生長有氧化鋅納米線)示意圖。干燥后，將硅基底移除，圖7所示是基底分離示意圖。然后采用酸蝕刻法將氧化鋅納米線酸蝕掉，具體的，采用稀鹽酸、稀硫酸或稀硝酸等常規(guī)無機酸，將氧化鋅納米線腐蝕掉，得到具有多個納米孔的高分子聚合物薄膜。( 3 )制成納米摩擦發(fā)電機將步驟(2)所得的具有納米孔的高分子聚合物薄膜作為高分子聚合物層，依次層疊設(shè)置第一電極層1，高分子聚合物層2，以及摩擦電極層3，得到納米摩擦發(fā)電機。將該摩擦發(fā)電機的邊緣用普通膠布密封。可以采用常規(guī)現(xiàn)有技術(shù)在高分子聚合物層2上設(shè)置第一電極層1，例如在高分子聚合物層2上粘貼第一電極層1，或者通過化學(xué)沉積或物理沉積的方法(例如射頻濺鍍，蒸鍍等方法)在高分子聚合物層2上沉積第一電極層I。當(dāng)摩擦電極層3包括層疊設(shè)置的摩擦薄膜層31和第二電極層32時，在摩擦薄膜層31上設(shè)置第二電極層32的方法也可以是粘貼，化學(xué)沉積或物理沉積等方法。[0051]根據(jù)納米摩擦發(fā)電機的工作原理，在發(fā)電機工作的過程中，兩個摩擦面需要不斷的接觸摩擦和分離，而一直處于接觸狀態(tài)或者分離狀態(tài)時，發(fā)電機則不能具有很好的輸出性能。因此，為了能夠制作出性能優(yōu)異的發(fā)電機，發(fā)明人對發(fā)電機的結(jié)構(gòu)進行了改進。如圖8和9所示的拱形的高功率納米摩擦發(fā)電機，包括依次層疊設(shè)置的第一電極層1，高分子聚合物層2，以及摩擦電極層3 ;高分子聚合物層2的相對摩擦電極層的面上設(shè)有多個納米孔4 ;摩擦電極層3包括摩擦薄膜層31和第二電極層32，所述摩擦薄膜層31相對高分子聚合物層2設(shè)置。其中，所述摩擦電極層3作為一個整體相對高分子聚合物層2向外拱起形成凸面，并在摩擦電極層3與高分子聚合物層2之間形成間隙，使兩個摩擦面在不受力的情況下能夠自動彈起。除摩擦電極層3形成凸面外，圖8和9所示的高功率納米摩擦發(fā)電機的各層結(jié)構(gòu)與圖1所示的高功率納米摩擦發(fā)電機相同，因此第一電極層1，高分子聚合物層2，摩擦電極層3以及納米孔4各層的適用選擇可以參考上文，這里不再贅述。如圖10和11所示的拱形結(jié)構(gòu)高功率納米摩擦發(fā)電機，其包括依次層疊設(shè)置的第一電極層1，高分子聚合物層2，以及摩擦電極層3 ;高分子聚合物層2的相對摩擦電極層的面上設(shè)有多個納米孔4。其中，所述摩擦電極層3相對高分子聚合物層2向外拱起形成凸面，并在摩擦電極層3與高分子聚合物層2之間形成間隙，使兩個摩擦面在不受力的情況下能夠自動彈起。圖10和11所示的高功率納米摩擦發(fā)電機的各層結(jié)構(gòu)與圖3所示的高功率納米摩擦發(fā)電機相同，因此第一電極層1，高分子聚合物層2，摩擦電極層3以及納米孔4各層的適用選擇可以參考上文，這里不再贅述。雖然上文僅示例性描述了摩擦電極層3向外拱起的拱形的高功率納米摩擦發(fā)電機，應(yīng)當(dāng)理解的是，基于本實用新型的優(yōu)選實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人員根據(jù)很容易實現(xiàn)高分子聚合物層2相對摩擦電極層3向外拱起形成凸面，并在摩擦電極層3與高分子聚合物層2之間形成間隙，使兩個摩擦面在不受力的情況下能夠自動彈起。因此，本實用新型的保護范圍是摩擦電極層和高分子聚合物層中的至少一個向外拱起形成凸面，使得摩擦電極層與高分子聚合物層之間形成間隙。在一個具體實施方式
中，依照高分子聚合物層2與摩擦電極層3的長度比為21:20或20:21，得到了拱形的高功率納米摩擦發(fā)電機。下面詳細說明拱形結(jié)構(gòu)高功率納米摩擦發(fā)電機的制備方法，步驟(I)制備具有納米線的基底與步驟制備具有納米孔的高分子聚合物薄膜(2)與上文所述相同，這里不再贅述，下面僅詳細說明步驟(3):a.將第一電極層I設(shè)置到高分子聚合物層2上，形成第一電極層1_高分子聚合物
層2的層疊體。b.將摩擦電極層3放置到步驟a所得層疊體的高分子聚合物層2上，并且將所述層疊體與摩擦電極層3的一端固定。具體的，例如所述層疊體與摩擦電極層3是矩形時，采用膠布粘貼或者熱封的方法將層疊體與摩擦電極層3的短邊端中的其中一個固定。c.將摩擦電極層3拱起，然后將層疊體與摩擦電極層3的固定端的相對端進行固定。具體的，例如所述層疊體與摩擦電極層3是矩形時，將層疊體與摩擦電極層3的另一個短邊端固定。下面通過具體的實施例來闡述本實用新型的方法的實施，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解的是，這不應(yīng)被理解為對本實用新型權(quán)利要求范圍的限制。實施例1如圖1和2所示，本實施例高功率納米摩擦發(fā)電機包括依次層疊設(shè)置的第一電極層1(0.1mm厚的鋁層)，高分子聚合物層2(1_厚的聚偏氟乙烯)，以及摩擦電極層3。摩擦電極層3包括摩擦薄膜層31 (1.0mm厚的銅版紙(規(guī)格200g/m2))和第二電極層32 (0.1mm厚的銅層)，所述摩擦薄膜層31相對高分子聚合物層2設(shè)置。高分子聚合物層2的相對摩擦電極層3的面上設(shè)有多個納米孔4 (寬度約為60nm，深度約為8μπι，以及孔間距平均為9μπι)。所述第一電極層I和第二電極層32為摩擦發(fā)電機的電壓和電流輸出電極。下面詳細說明該高功率納米摩擦發(fā)電機的制備方法。( I)制備具有納米線的基底采用常規(guī)噴射濺鍍在硅基底的一個面上生成厚度40nm的氧化鋅種子層。采用0.lmol/L濃度的由等摩爾的環(huán)六亞甲基四胺(HMTA)和硝酸鋅六水合物(ZnNO3.6 (H2O))組成的培養(yǎng)液，將娃基底的生成有氧化鋅種子層的面朝下，放在培養(yǎng)液頂部，在85°C下在機械對流加熱爐(型號:Yamato DKN400，加利福尼亞，圣克拉拉)中生長6小時，用去離子水沖洗生長有氧化鋅納米線的硅基底并在空氣中干燥，得到的氧化鋅納米線陣列。(2)制備具有納米孔的高分子聚合物薄膜將PVDF放入燒杯中，然后將二甲基甲酰胺(DMF)加入到燒杯中溶解PVDF，得到濃度11.7wt%的PVDF溶液。然后將燒杯用保鮮膜封住，超聲處理30min，PVDF全部溶解，然后待用。將上述配好的PVDF溶液通過旋轉(zhuǎn)涂覆均勻地直接涂覆在步驟(I)制備的硅基底的生長有納米氧化鋅線的表面，涂覆完畢后在80°C進行真空干燥。干燥完成后，將硅基底移除。然后采用濃度3 丨％的稀鹽酸將氧化鋅納米線酸蝕掉，得到PVDF聚合物薄膜，其中該薄膜一個表面上具有的納米孔為:寬度約為60nm，深度約為8 μ m,以及孔間距平均為9 μ m。( 3 )制成納米摩擦發(fā)電機將步驟(2)所得的具有納米孔的高分子聚合物薄膜作為高分子聚合物層，將0.1mm厚的鋁層粘貼在高分子聚合物層2上，得到第一電極層1_高分子聚合物層2的層疊體；將0.1mm厚的銅層粘貼在銅版紙上，得到摩擦電極層3。按照高分子聚合物層2相對銅版紙，將摩擦電極層3放置到上述層疊體上，然后邊緣用普通膠布密封，得到納米摩擦發(fā)電機1#。該摩擦發(fā)電機1#在1-V (電流-電壓)的測量中表現(xiàn)出典型的開路特征。使用周期振蕩(0.33Hz和0.13%的形變)的步進電機使摩擦發(fā)電機1#發(fā)生周期的彎曲和釋放，摩擦發(fā)電機1#的最大輸出電壓和電流信號分別達到了 800V和750 μ A。實施例2如圖3和4所示，本實施例高功率納米摩擦發(fā)電機包括依次層疊設(shè)置的第一電極層1(0.1mm厚的招層),高分 子聚合物層2(lmm厚的聚偏氟乙烯)，以及摩擦電極層3(0.1mm厚的銅層)。高分子聚合物層2的相對摩擦電極層3的面上設(shè)有多個納米孔4 (寬度約為60nm，深度約為8 μ m，以及平均孔間距為9 μ m)。所述第一電極層I和摩擦電極層3為摩擦發(fā)電機的電壓和電流輸出電極。[0075]下面詳細說明該高功率納米摩擦發(fā)電機的制備方法。( I)制備具有納米線的基底采用常規(guī)噴射濺鍍在硅基底的一個面上生成厚度40nm的氧化鋅種子層。采用0.lmol/L濃度的由等摩爾的環(huán)六亞甲基四胺(HMTA)和硝酸鋅六水合物(ZnNO3 *6 (H2O))組成的培養(yǎng)液，將娃基底的生成有氧化鋅種子層的面朝下，放在培養(yǎng)液頂部，在85°C下在機械對流加熱爐(型號:Yamato DKN400，加利福尼亞，圣克拉拉)中生長6小時，用去離子水沖洗生長有氧化鋅納米線的硅基底并在空氣中干燥，得到的氧化鋅納米線陣列。(2)制備具有納米孔的高分子聚合物薄膜將PVDF放入燒杯中，然后將二甲基甲酰胺(DMF)加入到燒杯中溶解PVDF，得到濃度11.7wt%的PVDF溶液。然后將燒杯用保鮮膜封住，超聲處理30min，PVDF全部溶解，然后待用。將上述配好的PVDF溶液通過旋轉(zhuǎn)涂覆均勻地直接涂覆在步驟(I)制備的硅基底的生長有納米氧化鋅線的表面，涂覆完畢后在80°C進行真空干燥。干燥完成后，將硅基底移除。然后采用濃度3wt%的稀硫酸將氧化鋅納米線酸蝕掉，得到PVDF聚合物薄膜，其中該薄膜一個表面上具有的納米孔為:寬度約為60nm，深度約為8 μ m,以及平均孔間距為9 μ m。( 3 )制成納米摩擦發(fā)電機將步驟(2)所得的具有納米孔的高分子聚合物薄膜作為高分子聚合物層，將0.1mm厚的鋁層粘貼在高分子聚合物層2上，得到第一電極層1_高分子聚合物層2的層疊體。按照高分子聚合物層2相對摩擦電極層3，將摩擦電極層3放置到上述層疊體上，然后邊緣用普通膠布密封，得到納米摩擦發(fā)電機4#。該摩擦發(fā)電機4#在1-V (電流-電壓)的測量中表現(xiàn)出典型的開路特征。使用周期振蕩(0.33Hz和0.13%的形變)的步進電機使摩擦發(fā)電機4#發(fā)生周期的彎曲和釋放，摩擦發(fā)電機4#的最大輸出電壓和電流信號分別達到了 120V和90 μ A。實施例3如圖8和9所示，本實施例高功率納米摩擦發(fā)電機包括依次層疊設(shè)置的第一電極層I (0.1mm厚的鋁層)，高分子聚合物層2 (Imm厚的聚偏氟乙烯)，以及摩擦電極層3。摩擦電極層3包括摩擦薄膜層31 (1.0mm厚的銅版紙(規(guī)格200g/m2)和第二電極層32 (0.1mm厚的銅層)，所述摩擦薄膜層31相對高分子聚合物層2設(shè)置。高分子聚合物層2的相對摩擦電極層3的面上設(shè)有多個納米孔4 (寬度約為60nm，深度約為8μπι，以及平均孔間距為9μπι)。所述第一電極層I和第二電極層32為摩擦發(fā)電機的電壓和電流輸出電極。所述摩擦電極層3作為一個整體相對高分子聚合物層2向外拱起形成凸面，并在摩擦電極層3與高分子聚合物層2之間形成間隙，使兩個摩擦面在不受力的情況下能夠自動彈起。下面詳細說明該拱形結(jié)構(gòu)高功率納米摩擦發(fā)電機的制備方法。( I)制備具有納米線的基底采用常規(guī)噴射濺鍍在硅基底的一個面上生成厚度40nm的氧化鋅種子層。采用
0.lmol/L濃度的由等摩爾的環(huán)六亞甲基四胺(HMTA)和硝酸鋅六水合物(ZnNO3 *6 (H2O))組成的培養(yǎng)液，將娃基底的生成有氧化鋅種子層的面朝下，放在培養(yǎng)液頂部，在85°C下在機械對流加熱爐(型號:Yamato DKN400，加利福尼亞，圣克拉拉)中生長6小時，用去離子水沖洗生長有氧化鋅納米線的硅基底并在空氣中干燥，得到的氧化鋅納米線陣列。(2)制備具有納米孔的高分子聚合物薄膜將PVDF放入燒杯中，然后將二甲基甲酰胺(DMF)加入到燒杯中溶解PVDF，得到濃度11.7wt%的PVDF溶液。然后將燒杯用保鮮膜封住，超聲處理30min，PVDF全部溶解，然后待用。將上述配好的PVDF溶液通過旋轉(zhuǎn)涂覆均勻地直接涂覆在步驟(I)制備的硅基底的生長有納米氧化鋅線的表面，涂覆完畢后在80°C進行真空干燥。干燥完成后，將硅基底移除。然后采用濃度3 丨％的稀鹽酸將氧化鋅納米線酸蝕掉，得到PVDF聚合物薄膜，其中該薄膜一個表面上具有的納米孔為:寬度約為60nm，深度約為8 μ m,以及平均孔間距為9 μ m。( 3 )制成納米摩擦發(fā)電機將步驟(2)所得的具有納米孔的高分子聚合物薄膜作為高分子聚合物層，將
0.1mm厚的鋁層粘貼在高分子聚合物層2上，得到第一電極層1_高分子聚合物層2的層疊體；將0.1mm厚的銅層粘貼在銅版紙上，得到摩擦電極層3。依照摩擦電極層3與高分子聚合物層2的長度比為21:20，將摩擦電極層3放置到層疊體的高分子聚合物層2上，并將它們的一個短邊端對齊，采用常規(guī)熱封的方法將該對齊的短邊端固定。將摩擦電極層3拱起，然后將層疊體與摩擦電極層3的短邊端中的另一個進行固定，得到納米摩擦發(fā)電機7#。該摩擦發(fā)電機7#在1-V (電流-電壓)的測量中表現(xiàn)出典型的開路特征。使用周期振蕩(0.33Hz和0.13%的形變)的步進電機使摩擦發(fā)電機7#發(fā)生周期的彎曲和釋放，摩擦發(fā)電機7#的最大輸出電壓和電流信號分別達到了 1020V和840 μ A。本實用新型的摩擦發(fā)電機可以應(yīng)用到各種自驅(qū)動系統(tǒng)如薄膜壓力傳感器，觸摸屏，電子顯示器，以及其它個人電子產(chǎn)品中具有潛在的應(yīng)用價值領(lǐng)域中，其具有生產(chǎn)成本低、能量輸出高的效果。上述方案包含首選實施例和備案時發(fā)明人所知的該項實用新型的最佳模式時，上述實施例只作為說明性例子給出。對該說明中揭露的特定實施例的許多異化，不偏離該項實用新型的精神和范圍的話，將是容易鑒別的。因此，該項實用新型的范圍將通過所附的權(quán)利要求確定，而不限于上面特別描述的實施例。
權(quán)利要求1.一種納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，該納米摩擦發(fā)電機包括:依次層疊設(shè)置的第一電極層，高分子聚合物層，以及摩擦電極層；高分子聚合物層的相對摩擦電極層的面上設(shè)有多個納米孔；所述第一電極層和摩擦電極層為摩擦發(fā)電機的電壓和電流輸出電極。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述高分子聚合物層所用材料是聚偏氟乙烯。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述高分子聚合物層表面上設(shè)置的納米孔寬度為IO-1OOnm以及深度為4_50 μ m。
4.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述摩擦電極層所用材料選自金屬或合金，厚度為0.05-0.2_。
5.根據(jù)權(quán)利要求1-3任一項所述的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述摩擦電極層包括層疊設(shè)置的摩擦薄膜層和第二電極層，所述摩擦薄膜層相對高分子聚合物層設(shè)置。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述摩擦薄膜層所用材料是纖維薄膜或聚氯乙烯。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述摩擦電極層或高分子聚合物層向外拱起形成凸面，使得摩擦電極層與高分子聚合物層之間形成間隙。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的納米摩擦發(fā)電機，其特征在于，所述第一電極層所用材料是金屬或合金。
專利摘要本實用新型提供了一種高功率納米摩擦發(fā)電機。該納米摩擦發(fā)電機包括依次層疊設(shè)置的第一電極層，高分子聚合物層，以及摩擦電極層；高分子聚合物層的相對摩擦電極層的面上設(shè)有多個納米孔；所述第一電極層和摩擦電極層為摩擦發(fā)電機的電壓和電流輸出電極。利用設(shè)有納米孔的聚偏氟乙烯作為高分子聚合物層進行摩擦，摩擦效果好，電壓和電流輸出高，實現(xiàn)了摩擦發(fā)電機的高能量輸出。
文檔編號H02N1/04GK202949379SQ20122067392
公開日2013年5月22日 申請日期2012年12月7日 優(yōu)先權(quán)日2012年12月7日
發(fā)明者李澤堂, 王珊, 劉紅閣, 安溪娟, 王中林, 徐傳毅 申請人:納米新能源(唐山)有限責(zé)任公司