本发明专利技术提供一种摩擦纳米发电海绵，包括海绵层与柔性导电层，并且在海绵层与柔性导电层的交界面所述柔性导电层对所述海绵层的孔隙产生局部包裹；其中，所述海绵层与柔性导电层层叠设置，或者所述柔性导电层嵌入海绵层的内部。当外力作用使所述摩擦纳米发电海绵发生形变时，或者海绵表面与外部物体接触分离过程中，所述摩擦纳米发电海绵的导电材料层通过负载接地或者其他导体在其间产生电信号。本发明专利技术的海绵将广泛使用的海绵材料作为基体，并配以柔性电极材料，高效地利用了海绵材料的成本低廉、佩戴舒适、融合方便以及机械性能优越等特点，不仅可用于进行高效能量收集，还可用于设计性能稳定易于集成的高性能的自驱动传感器。
【技术实现步骤摘要】
摩擦纳米发电海绵、自驱动传感器和智能鞋垫
本专利技术涉及发电领域，具体涉及一种具有外形随意改变后仍可快速恢复的摩擦纳米发电海绵，以及应用其的自驱动传感器和智能鞋垫。
技术介绍
能源危机是当今社会发展和科学进步难以绕开的一个棘手难题。随着物联网技术的发展和智慧理念的日趋推广，采用电池为生产生活中各种无线智能节点乃至应用越来越普遍的各类可穿戴设备进行供电并不是一种最理想的技术手段。摩擦纳米发电机将摩擦起电和静电感应相结合，能够有效地将周围环境中的各种机械能转换为电能。目前，现有技术基于摩擦纳米发电机已经成功开展了为可穿戴设备供电，也可以直接开发为自驱动传感器在多种领域应用。然而，传统的摩擦纳米发电机通常采用硬质材料且具有多层结构，难以提供可全方向的拉伸、压缩和折叠的机械性能。一些现有技术中即使采用柔性材料制备，也无法完全为摩擦纳米发电机提供优异的机械性能和超强的鲁棒性。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种外形随意改变后仍可快速恢复并且超级耐冲击的摩擦纳米发电海绵，具有优异的机械性能和超强的鲁棒性。为了实现上述目的，本专利技术提供一种摩擦纳米发电海绵，包括海绵层与柔性导电层，并且在海绵层与柔性导电层的交界面所述柔性导电层对所述海绵层的孔隙产生局部包裹；其中，所述海绵层与柔性导电层层叠设置，或者所述柔性导电层嵌入海绵层的内部。优选的，当外力作用使所述摩擦纳米发电海绵发生形变时，或者海绵表面与外部物体接触分离过程中，所述摩擦纳米发电海绵的导电材料层通过负载接地或者其他导体在其间产生电信号。优选的，所述海绵层的材料为多孔弹性材料；优选的，所述海绵层的材料选自人造海绵或天然海绵。优选的，所述柔性导电层的材料为液态导电材料或者凝固前为液态的导电材料。优选的，所述柔性导电层的厚度范围为4-0.1mm，优选为不超过2mm。优选的，所述液态导电材料包括液态金属及其合金；凝固前为液态的导电材料包括炭黑或纳米导电材料与可固化的柔性高分子材料混合均匀得到的柔性导电高分子材料；优选的，所述纳米导电材料为导电碳纤维、碳纳米管、石墨烯或银纳米线。优选的，所述柔性导电高分子材料中包括可固化柔性高分子材料、炭黑、纳米导电材料，重量的比例为30:2:1。优选的，所述海绵为片状、块状、球体、圆柱体或锥体结构。优选的，还包括中空的间隔层、依次设置有柔性导电层和柔性摩擦层的海绵基底层，其中，所述海绵、间隔层和海绵基底层依次层叠设置，使所述海绵层与柔性摩擦层相对设置，可以在外力作用下互相接触分离，在两个柔性导电层中产生电荷流动；其中，所述柔性摩擦层与所述海绵层的材料不同。优选的，所述间隔层为海绵材料；所述柔性摩擦层为柔性高分子材料，或者为高分子材料粉末与可固化柔性高分子材料混合获得。本专利技术还提供一种自驱动传感器，包括上述任一项所述的摩擦纳米发电海绵。本专利技术还提供一种智能鞋垫，包括所述的自驱动传感器。优选的，包括多个所述自驱动传感器，通过分析多个自驱动传感器输出信号的相位、时间、幅值或频率特征信号的差异分析得到运动类型或者运动特征。本专利技术的技术方案与现有技术相比，有下列优点：本专利技术提供的摩擦纳米发电海绵，海绵层与柔性导电层层叠设置，或者所述柔性导电层嵌入海绵层的内部，不仅具有简单的结构，并且在兼具舒适性的同时具有超强的鲁棒性，外形随意改变后仍可快速恢复并且超级耐冲击，具有显著的机械性能，不仅可用于进行高效能量收集，还可用于设计性能稳定易于集成的高性能传感器。本专利技术技术方案提出的摩擦纳米发电海绵，直接将在生产生活中广泛使用的海绵材料作为制作基体，并配以柔性电极材料，高效地利用了海绵材料的成本低廉，并且具有佩戴舒适、融合方便以及机械性能优越等特点。附图说明附图是用来提供对本专利技术的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本专利技术，但并不构成对本专利技术的限制。在附图中：图1为本专利技术单电极摩擦纳米发电海绵结构示意图；图2为单电极摩擦纳米发电海绵制备过程示意图；图3为双电极摩擦纳米发电海绵的结构爆破示意图；图4为双电极摩擦纳米发电海绵制备过程示意图；图5为基于摩擦纳米发电海绵的智能鞋垫结构示意图；图6为基于摩擦纳米发电海绵的智能鞋垫的典型电压输出曲线。具体实施方式以下结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本专利技术，并不用于限制本专利技术。实施例一：本实施例提供的摩擦纳米发电海绵，以常用的片状结构外形为例，包括一个电极层，为单电极摩擦纳米发电海绵的结构，示意图如图1所示。单电极摩擦纳米发电海绵1包括海绵层11和柔性导电层12，其中柔性导电层12嵌入海绵层11的内部并且在交界面对海绵层11的孔隙产生局部包裹。根据摩擦纳米发电海绵的不同应用情况，单电极摩擦纳米发电海绵包含三种工作模式：接触—分离工作模式、压缩—释放工作模式和双工作模式。在接触—分离工作模式中，当海绵层11的外表面与外部物体发生接触分离时，将在带有负载的柔性导电层12上产生电荷变化，从而输出电流。而在压缩—释放工作模式中，当外力使单电极摩擦纳米发电机发生形变时，柔性导电层12与海绵层11在二者的交界面将发生接触状态变化，进而驱动柔性导电层12输出相应的电信号。而当外部物体与单电极摩擦纳米发电海绵发生接触并进一步导致其形变时，则依次存在两种工作模式，即称作双工作模式。摩擦纳米发电海绵的结构不限于图1所示的片状结构，可以根据不同应用需要设计成不同的外形结构，例如块状、球体、圆柱体、锥体等结构。摩擦纳米发电海绵的输出信号的强度与其工作面的外形尺寸成正比，在进行能量采集时为了获得更大的能量输出，在允许范围内其尺寸越大越好，以工作面135cm2的单电极摩擦纳米发电海绵与同尺寸的PTFE膜工作在双工作模式为例，输出电压峰峰值超过了2kVpp，输出功率在0.5GΩ时达到5.46mW的最大值。海绵层的材料为多孔弹性材料，所述海绵层的材料可以选自人造海绵或天然海绵；海绵层的厚度不做特别要求，一般应不小于2mm。为了保持摩擦纳米发电海绵的变形性能，柔性导电层12的厚度越薄越好，厚度范围可以在4-0.1mm，优选厚度不超过2mm，更优选厚度不超过1mm。在制作摩擦纳米发电海绵时，柔性导电层的材料为液态或者凝固前为液态的导电材料。柔性导电层12通常选取炭黑、纳米导电材料与可固化的柔性高分子材料混合均匀得到的柔性导电高分子材料。其中纳米导电材料可以为导电碳纤维、碳纳米管、石墨烯、银纳米线等纳米材料；可固化的柔性高分子材通常选择硅胶、聚二甲基硅氧烷等柔性高分子材料。上述柔性导电高分子材料中，可固化柔性高分子材料、炭黑、纳米导电材料重量的优选比例为30:2:1。在制备自驱动传感的微小型器件时，为了减小器件尺寸，柔性导电层12还可以选择镓铟锡这类液态金属导电材料，例如液态金属镓本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种摩擦纳米发电海绵，其特征在于，包括海绵层与柔性导电层，并且在海绵层与柔性导电层的交界面所述柔性导电层对所述海绵层的孔隙产生局部包裹；其中，所述海绵层与柔性导电层层叠设置，或者所述柔性导电层嵌入海绵层的内部。/n
【技术特征摘要】
1.一种摩擦纳米发电海绵，其特征在于，包括海绵层与柔性导电层，并且在海绵层与柔性导电层的交界面所述柔性导电层对所述海绵层的孔隙产生局部包裹；其中，所述海绵层与柔性导电层层叠设置，或者所述柔性导电层嵌入海绵层的内部。
2.根据权利要求1所述的海绵，其特征在于，当外力作用使所述摩擦纳米发电海绵发生形变时，或者海绵表面与外部物体接触分离过程中，所述摩擦纳米发电海绵的导电材料层通过负载接地或者其他导体在其间产生电信号。
3.根据权利要求1或2所述的海绵，其特征在于，所述海绵层的材料为多孔弹性材料；优选的，所述海绵层的材料选自人造海绵或天然海绵。
4.根据权利要求1或2所述的海绵，其特征在于，所述柔性导电层的材料为液态导电材料或者凝固前为液态的导电材料。
5.根据权利要求4所述的海绵，其特征在于，所述柔性导电层的厚度范围为4-0.1mm，优选为不超过2mm。
6.根据权利要求4或5所述的海绵，其特征在于，所述液态导电材料包括液态金属及其合金；凝固前为液态的导电材料包括炭黑和/或纳米导电材料与可固化的柔性高分子材料混合均匀得到的柔性导电高分子材料；优选的，所述纳米导电材料为导电碳纤维、碳纳米管、石墨烯或银纳米线。
7.根据权...
【专利技术属性】
技术研发人员：吴治峄，其他发明人请求不公开姓名，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11
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