[发明专利]一种可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件及其制备方法

摘要

本发明属于摩擦发电技术领域，具体为一种可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件及制备方法。本发明利用介电常数不同的高分子材料作为摩擦生电层，取向碳纳米管薄膜作为电荷感应和收集电极；首先在纤维状高分子弹性基底上缠裹取向碳纳米管薄膜作为内层电极，然后在碳纳米管薄膜表面依次构建两种接触表面具有微纳结构的高分子摩擦生电层，再缠裹一层碳纳米管薄膜作为外层电极，最后封装得到可拉伸的同轴纤维状摩擦发电器件。该器件制备过程简单，而且具有良好的柔性，在拉伸、弯曲、压缩和扭曲作用下均可产生电信号，因此能够收集外部环境中不同方向、不同形式的机械能，并将其转化为电能；可作为电源为可穿戴电子设备供电，也可作为传感器件用来检测人体运动、生理信号。

主权项

1.一种可拉伸同轴纤维状摩擦发电和传感器件，其特征在于，利用介电常数不同的高分子材料作为不同的摩擦生电层，取向碳纳米管薄膜作为电荷感应和收集电极；该器件包括：（1）内层电极，由碳纳米管纤维缠在纤维基底表面而成；（2）第一摩擦生电层，为在内层电极外表面的一层介电材料；（3）第二摩擦生电层，为在第一摩擦生电层外面的一层介电材料；（4）外层电极，为缠绕在第二摩擦生电层外的一层碳纳米管纤维；器件封装在高分子材料中；步骤（1）中，所述的纤维基底具有弹性，基底材料为高分子材料，其直径为0.1‑10mm；所述的内层电极和外层电极的碳纳米管纤维，具有取向结构与良好的导电性，其电阻为200‑1000Ω/cm，厚度为20‑2000 nm；碳纳米管纤维以不同角度缠绕在基底表面；所述的介电材料具有摩擦生电能力，其中第一摩擦生电层与第二摩擦生电层具有相反的摩擦生电序列，第一摩擦生电层和第二摩擦生电层之间形成摩擦界面，其距离为1‑200 μm，在外力作用下二者发生接触或分离；所述介电材料分别为易带正电与易带负电的聚合物材料，易带正电的材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚苯乙烯、聚醋酸纤维素、聚醋酸乙烯酯、聚乳酸，其粒径为0.01‑10.0 μm；制备方法包括电泳沉积、胶体自组装方式，形成的表面具有微纳尺度的凸起结构，厚度为10‑100 μm；易带负电的材料选自聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、聚酰亚胺、聚对二甲苯、聚对苯二甲酸乙二醇酯，制备方法包括高分子溶液浸涂、沾涂或者单体原位聚合，形成的表面构建有直径为0.1‑100μm，厚度为10‑100 μm的规则或不规则孔，形成一种凹陷状结构；两种摩擦层在所列举的材料中选择带正、负电的材料搭配；两种摩擦层组合为：聚甲基丙烯酸甲酯/聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯/聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚苯乙烯/聚偏氟乙烯、聚苯乙烯/聚四氟乙烯或聚醋酸纤维素/聚氯乙烯。