本發(fā)明涉及能源收集器件，特別涉及一種以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機、發(fā)電方法和應(yīng)用該發(fā)電機的傳感器。

背景技術(shù)：

目前有很多種能源收集器件，如利用太陽光來發(fā)電的太陽能發(fā)電機，利用溫度差來發(fā)電的溫差發(fā)電機，利用線圈切割磁力線來發(fā)電的發(fā)電機，利用壓力變化來發(fā)電的壓電發(fā)電機等等。摩擦電發(fā)電機利用摩擦效應(yīng)和靜電誘導(dǎo)效應(yīng)，可以把極其微小的機械能轉(zhuǎn)化為電能。水的運動、風(fēng)的運動、日常生活中物體的振動，以及人體的運動等等都可以成為摩擦電發(fā)電機的動力源；同時，通過摩擦電發(fā)電機還可以作為自驅(qū)動傳感器探測化學(xué)物質(zhì)、運動等信號。隨著可拉伸和可穿戴電子產(chǎn)品的飛速發(fā)展，可拉伸能源收集和供給器件的研發(fā)具有重要意義。目前已經(jīng)有關(guān)于可拉伸和形狀自適應(yīng)能源收集器件的報道，但是這些器件具有比較有限的可拉伸性能和形狀自適應(yīng)性。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供一種具有高的拉伸性和形狀自適應(yīng)的摩擦電發(fā)電機，克服現(xiàn)有技術(shù)中可拉伸器件的拉伸范圍較小的缺點。

為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機，包括：導(dǎo)電液體和聚合物層組成的發(fā)電單元，其中，所述導(dǎo)電液體位于聚合物層內(nèi)部，所述導(dǎo)電液體電連接至電極單元。

優(yōu)選的，所述電極單元為地電極、人體或大塊金屬導(dǎo)體；

當(dāng)與所述聚合物層的材料的得失電子能力不同的物體與所述聚合物層 接觸分離時，在所述導(dǎo)電液體與所述電極單元之間形成電流。

優(yōu)選的，所述電極單元包括一個金屬層，或者鍍在絕緣層一面上的金屬電極，或者另一個所述發(fā)電單元的導(dǎo)電液體；

當(dāng)電極單元與所述聚合物層接觸分離時，在所述導(dǎo)電液體與所述電極單元之間形成電流。

優(yōu)選的，包括兩個所述發(fā)電單元，其中一個發(fā)電單元所含的導(dǎo)電液體為所述電極單元；

當(dāng)與兩個所述發(fā)電單元的聚合物層的材料的得失電子能力不同的物體在兩個所述發(fā)電單元的聚合物層往復(fù)運動互相摩擦?xí)r，在兩個所述發(fā)電單元的導(dǎo)電液體之間形成電流。

優(yōu)選的，所述導(dǎo)電液體包括液態(tài)金屬、液態(tài)合金、酸溶液、堿溶液、鹽溶液、自來水、海水或純凈水。

優(yōu)選的，所述聚合物層為彈性可變形結(jié)構(gòu)，由可拉伸的柔性材料制成。

優(yōu)選的，所述聚合物層為管道形狀，所述導(dǎo)電液體在所述聚合物層形成的管道中流動或靜止；

或者，所述聚合物層為首尾連接形成環(huán)形的管道形狀，所述導(dǎo)電液體被封閉在所述聚合物層內(nèi)。

優(yōu)選的，所述聚合物層為直筒型、膠囊狀、袋狀或六面體形狀，所述導(dǎo)電液體被封閉在所述聚合物層內(nèi)。

優(yōu)選的，所述袋狀為鞋墊狀、坐墊狀；所述六面體形狀為床墊狀。

優(yōu)選的，所述聚合物層的材料為硅橡膠、丁腈橡膠、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚酯、尼龍、聚氨酯彈性體或苯乙烯丙烯。

優(yōu)選的，所述聚合物層的厚度為微米量級至厘米量級。

優(yōu)選的，所述聚合物層的厚度為100-500微米。

優(yōu)選的，所述絕緣體層的材料為硅橡膠、丁腈橡膠、聚乙烯、聚丙烯、 聚四氟乙烯、聚酯、尼龍、聚氨酯彈性體或苯乙烯丙烯。

相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電方法，應(yīng)用上述任一項中的摩擦電發(fā)電機，將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

相應(yīng)的，本發(fā)明還提供一種以導(dǎo)電液體為電極的傳感器，包括上述任一項中所述的摩擦電發(fā)電機。

優(yōu)選的，所述發(fā)電單元與所述電極單元之間連接有指示單元。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所述的以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機的優(yōu)點在于：

本發(fā)明提出以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機和發(fā)電方法，本發(fā)明提出的以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機的發(fā)電單元包括導(dǎo)電液體和包裹導(dǎo)電液體的聚合物層，該摩擦電發(fā)電機具有很高的形狀適應(yīng)性，并且還可以具有很高的拉伸性，可以制成任意形狀和大小，如鞋墊狀、坐墊狀、手環(huán)狀、床墊狀等等。

通過選用具有高拉伸和高柔性的聚合物層來使以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機具有與聚合物層同步的高拉伸和高柔性，該摩擦電發(fā)電機具有很高的形狀適應(yīng)性，并且還可以具有很高的拉伸性，不僅可以用來收集能量，如可以作為可穿戴能源收集器件收集人體運動的能量，也可以作為自驅(qū)動傳感器件探測人體運動等。

本發(fā)明的以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機和傳感器，具有制備方法簡單、器件尺寸和形狀任意可調(diào)、可具備高度可拉伸性及柔性、高度形狀適應(yīng)性等優(yōu)點，應(yīng)用范圍十分廣泛：在體育運動、娛樂設(shè)施、建筑、生物產(chǎn)品、醫(yī)療、安全防護(hù)等領(lǐng)域具有很大的應(yīng)用前景。

附圖說明

通過附圖所示，本發(fā)明的上述及其它目的、特征和優(yōu)勢將更加清晰。在 全部附圖中相同的附圖標(biāo)記指示相同的部分。并未刻意按實際尺寸等比例縮放繪制附圖，重點在于示出本發(fā)明的主旨。

圖1為本發(fā)明以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機的發(fā)電單元從縱截面剖開的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為實施例一的以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機的發(fā)電原理示意圖；

圖3為手環(huán)狀以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機佩戴于人體的上臂檢測胳膊的運動的測試數(shù)據(jù)曲線；

圖4和圖5為本發(fā)明以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機實施例二和三的結(jié)構(gòu)示意圖。

具體實施方式

目前已有的可拉伸和形狀自適應(yīng)能源收集器件，其拉伸性能和形狀自適應(yīng)性能比較有限，本發(fā)提供一種以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機，通過結(jié)構(gòu)設(shè)計，選擇具有高拉伸性和高柔性的聚合物層來，可以獲得可拉伸性及柔性、高度形狀適應(yīng)性的發(fā)電機器件。

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實施例僅是本發(fā)明一部分實施例，而不是全部的實施例?；诒景l(fā)明中的實施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。

其次，本發(fā)明結(jié)合示意圖進(jìn)行詳細(xì)描述，在詳述本發(fā)明實施例時，為便于說明，所述示意圖只是示例，其在此不應(yīng)限制本發(fā)明保護(hù)的范圍。

實施例一：

本實施例中的以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機，包括：導(dǎo)電液體1和聚合物層2組成的發(fā)電單元，圖1為發(fā)電單元從縱截面剖開的結(jié)構(gòu)示意圖，其中，導(dǎo)電液體1位于聚合物層2內(nèi)部，導(dǎo)電液體1電連接至電極單元。

導(dǎo)電液體1可以通過導(dǎo)線穿過聚合物層與電極單元電連接。聚合物層的材料除使用硅橡膠外，還可以使用丁腈橡膠、聚乙烯、聚四氟乙烯、聚丙乙烯、聚酯等等材料；導(dǎo)電液體可以為液態(tài)金屬如液態(tài)鎵、液態(tài)汞等，液態(tài)合金如液態(tài)鎵銦合金等，也可以為導(dǎo)電溶液如酸溶液、堿溶液、鹽溶液，也可以為自來水、海水、純凈水等等，也可以是幾種導(dǎo)電液體的混合。

聚合物層2可以為彈性可變形結(jié)構(gòu)，由可拉伸的柔性材料制成。當(dāng)發(fā)電單元受到外力擠壓或者拉伸時，可以隨著外力發(fā)生形狀變化。聚合物層2的厚度無特殊要求，可以為微米量級至厘米量級，優(yōu)選為100-500微米。

聚合物層2的作用是用于容納導(dǎo)電液體，可以為任意形狀，例如可以為管道形狀，也可以為膠囊狀、袋狀或六面體形狀。

所述電極單元可以為地電極、人體或大塊金屬導(dǎo)體。當(dāng)與聚合物層2的材料的得失電子能力不同的物體與聚合物層2接觸分離時，在導(dǎo)電液體1與電極單元之間形成電流。這種結(jié)構(gòu)的摩擦電發(fā)電機可以稱為單電極工作模式的摩擦電發(fā)電機，其工作原理參見圖2，以聚合物層為管道形狀、電極單元為地電極、導(dǎo)電液體1在聚合物層2形成的管道中靜止(即導(dǎo)電液體1密封包裹在聚合物層2中)的發(fā)電單元為例，當(dāng)與包裹導(dǎo)電液體1的聚合物層2的材料的得失電子能力不同的物體M與聚合物層2接觸時，聚合物層2和物體M將會因為摩擦而在兩者表面產(chǎn)生極性相反的正負(fù)電荷，隨著物體M與聚合物層2的不斷接觸和分離，由于靜電感應(yīng)，導(dǎo)電液體1(為一個電極)和地電極(為電極單元)之間的電勢差發(fā)生變化，驅(qū)動電子在兩個電極之間往返運動，從而產(chǎn)生交變電流。

聚合物層為管道形狀的摩擦電發(fā)電機，該聚合物層的管道可以為上述兩端封閉的管道，還可以為首尾連接形成環(huán)形的管道形狀，將導(dǎo)電液體1封閉在聚合物層2內(nèi)形成發(fā)電單元，例如可以作為手環(huán)可佩戴于人體手腕，利用人體為電極單元，收集拍打等能量。當(dāng)物體(如人的手)拍打該手環(huán)狀摩擦 電發(fā)電機時，電子將會在導(dǎo)電液體電極和人體之間來回運動，產(chǎn)生交變電流。

以手環(huán)狀摩擦電發(fā)電機為例，說明本發(fā)明的摩擦電發(fā)電機的制備過程，采用一端口的直筒型結(jié)構(gòu)的聚合物層，將導(dǎo)電液體1注入一端開口的空心直筒狀的聚合物外套層中，將導(dǎo)線浸入導(dǎo)電液體中，將聚合物層開口端封住并露出導(dǎo)線，最后，將聚合物層的兩端連接，即得到手環(huán)狀以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機，該摩擦電發(fā)電機電極單元為人體，也可以為地電極或者大塊的金屬導(dǎo)體等。

本發(fā)明提供的以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機也可以作為傳感器，用于對微小機械能的傳感，例如，該手環(huán)狀以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機佩戴于人體的上臂(圍繞肱二頭肌)，用來檢測胳膊的運動，參見圖3。當(dāng)彎曲胳膊時，人體的肱二頭肌收縮使得上臂圍長增大；伸展胳膊時人體的肱二頭肌舒張使得上臂圍長減小。這種人體身體的變化使得佩戴的手環(huán)狀摩擦電發(fā)電機與人體上臂的接觸面積周期性變化，從而使得導(dǎo)電液體電極和電極單元(如地電極)之間電勢差變化，驅(qū)動電子在導(dǎo)電液體電極和電極單元之間運動。圖3中顯示的測試結(jié)果證實，彎曲胳膊的角度不同使得接觸面積的變化差異不同，從而導(dǎo)電液體電極和地電極之間電勢差變化大小不同，兩電極之間傳輸?shù)碾姾闪看笮〔煌蛘唠娏鞔笮〔煌?相同彎曲速度時比較)，從而可以根據(jù)所得電信號探測彎曲胳膊角度的大小。另外在相同彎曲角度時，彎曲胳膊的速率大小會導(dǎo)致不同的電流大小，從而可以根據(jù)所測得的電流信號探測彎曲胳膊的速率。

聚合物層2也可以為兩端開口的管道形狀，導(dǎo)電液體可以在聚合物層2形成的管道中流動。例如，聚合物層作為輸水管道，可以利用日常生活中傳輸水管道收集拍打等能量。

本發(fā)明提供的摩擦電發(fā)電機制備工藝簡單、材料方便獲得，而且器件尺寸可以根據(jù)實際需要進(jìn)行任意裁剪，采用本發(fā)明提供的摩擦電發(fā)電機用于發(fā) 電或者傳感操作方便，可以在娛樂設(shè)施、體育運動、安全防護(hù)、觸覺傳感、建筑、生物電子等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

實施例二：

本實施例的以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機，發(fā)電單元與實施例一中的發(fā)電單元相同，不同之處在于，電極單元可以包括一個金屬層，或者鍍在絕緣層一面的金屬電極，或者另一個所述發(fā)電單元的導(dǎo)電液體，當(dāng)電極單元與聚合物層2接觸分離時，在導(dǎo)電液體1與電極單元之間形成電流。需要電極單元與發(fā)電單元接觸的材料與發(fā)電單元聚合物層的材料的得失電子能力不同。這種結(jié)構(gòu)為附屬電極工作模式的摩擦電發(fā)電機。

電極單元包括一面鍍有金屬電極3的絕緣層4，導(dǎo)電液體1與金屬電極3電連接，參見圖4中a圖。發(fā)電單元與電極單元不斷接觸和分離，即聚合物層2與絕緣層4的不斷接觸和分離，導(dǎo)致導(dǎo)電液體1和金屬電極3之間的電勢差發(fā)生變化，驅(qū)動電子在導(dǎo)電液體1和金屬電極3之間往返運動，從而產(chǎn)生交變電流。

絕緣體層4的材料可以為硅橡膠、丁腈橡膠、聚乙烯、聚丙烯、聚四氟乙烯、聚酯、尼龍、聚氨酯彈性體或苯乙烯丙烯等就聚合物材料，也可以為其他無機絕緣材料。

電極單元包括一個金屬層的情況參見圖4中b圖，導(dǎo)電液體1與金屬層5電連接，發(fā)電單元與金屬層5(電極單元)不斷接觸和分離，導(dǎo)致導(dǎo)電液體1和金屬層5之間的電勢差發(fā)生變化，驅(qū)動電子在導(dǎo)電液體1和金屬層5之間往返運動，從而產(chǎn)生交變電流。

電極單元包括另一個實施例一中的發(fā)電單元的情況，與上述兩種情況類似，只要滿足兩個發(fā)電單元的聚合物層的材料的得失電子能力不同即可，互相接觸分離時，可以在兩個發(fā)電單元的導(dǎo)電液體之間產(chǎn)生交變電流。

實施例三：

本實施例中，包括兩個實施例一中所述的發(fā)電單元，其中一個為電極單元，參見圖5，當(dāng)與兩個發(fā)電單元的聚合物層的材料的得失電子能力不同的物體6在兩個發(fā)電單元的聚合物層往復(fù)運動互相摩擦?xí)r，在兩個發(fā)電單元的導(dǎo)電液體之間形成電流。這種結(jié)構(gòu)的發(fā)電機為自由運動式摩擦電發(fā)電機。

本實施例的發(fā)電機的工作過程為，當(dāng)物體6在兩個并排放置(接觸或不接觸)發(fā)電單元表面周期性往返運動時，兩個導(dǎo)電液體電極之間的電勢差發(fā)生變化，驅(qū)動電子在兩個導(dǎo)電液體電極之間往返運動，從而產(chǎn)生交變電流。

實施例四：

以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機中，聚合物層為袋狀的鞋墊，將其放置在鞋內(nèi)或者鞋底，利用人體作為電極單元，便可以收集人體走路的能量。當(dāng)鞋子隨著人體的走路而周期性離開和接觸地面時，導(dǎo)電液體電極和電極單元之間電勢差周期性變化，驅(qū)動電子在兩個電極之間運動，產(chǎn)生交變電流。

另外，還可以在導(dǎo)電單元與電極單元之間設(shè)置指示單元，例如LED燈、無線發(fā)射元件、便攜式可穿戴元件等。例如，將導(dǎo)電液體電極接于一串順次串聯(lián)的LED燈某個結(jié)點，地電極接于另一個結(jié)點，那么人體腳抬起和落下導(dǎo)致的電子在兩電極之間的往返運動將會使得這一串LED燈分兩組被分別周期性點亮：一組LED燈在腳抬起時被點亮，另一組在腳落下時被點亮，從而自驅(qū)動監(jiān)測了腳的運動情況。

在其他實施例中，以導(dǎo)電液體為電極的摩擦電發(fā)電機中，聚合物層還可以為袋狀結(jié)構(gòu)，例如坐墊。聚合物層還可以為六面體形狀，例如制作成床墊形狀；作為可發(fā)電的床墊用來收集人體能量，也可放置于沙灘等場所上作為可發(fā)電的娛樂設(shè)施。

相應(yīng)的，本發(fā)明還提供應(yīng)用上述實施例中發(fā)電機的發(fā)電方法，可以采用形狀可以變化的發(fā)電單元將機械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔堋?/p>

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實施例而已，并非對本發(fā)明作任何形式上 的限制。任何熟悉本領(lǐng)域的技術(shù)人員，在不脫離本發(fā)明技術(shù)方案范圍情況下，都可利用上述揭示的方法和技術(shù)內(nèi)容對本發(fā)明技術(shù)方案做出許多可能的變動和修飾，或修改為等同變化的等效實施例。因此，凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案的內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實質(zhì)對以上實施例所做的任何簡單修改、等同變化及修飾，均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案保護(hù)的范圍內(nèi)。