CN103368454A - 摩擦电纳米发电机、发电衣服以及制作发电衣服的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种摩擦电纳米发电机，所述发电机由内层材料和外层材料构成，其中：内层材料为柔性的导电内膜；外层材料为外表面制备有导电层的柔性聚合物层；内层材料和外层材料接触或不接触设置，在外力作用下，聚合物层的部分或全部内表面与导电内膜接触和分开，使得导电内膜和电极层之间产生电信号输出。本发明还公开了一种利用摩擦电纳米发电机的发电方法和发电衣服。发电机产生的电信号可驱动一些小型个人电子产品，也可以将电能储存在锂离子电池中，对锂离子电池进行充电，以进一步驱动更大功率的电子器件。

Description

摩擦电纳米发电机、发电衣服以及制作发电衣服的方法

技术领域

本发明属于摩擦电纳米发电技术领域，尤其涉及一种摩擦电纳米发电机和基于摩擦电纳米发电机的发电衣服，以及制作发电衣服的方法。

背景技术

发电衣服是指可以将其他形式的能量转换成电能的衣服，其在日常生活中以及国防军事方面都有着非常重大的意义和潜在的应用。到目前为止，关于发电衣服的报道还比较少，只有两种形式的发电衣服被报道过，第一种是基于太阳能的发电衣服，这种衣服利用柔韧性很好的碳原子薄膜透明材料制作出有机光伏电池，从而将太阳能转换成电能来驱动一些个人电子产品。这种发电衣服的性能经常受到天气变化的影响，在太阳光比较弱的情况下，其发出的电能很低，并且所采用的材料比较昂贵，制作成本很高；另一种就是基于压电效应的发电衣服，由澳大利亚联邦科学与工业研究组织研究，它利用人在运动过程中人体与衣服、衣服与衣服之间的压力来产生电力，并将这部分电力加以利用；另外美国佐治亚理工学院王中林教授小组也制作出了基于压电效应的柔性薄膜，也可以用于制作成衣服，但是，这种采用压电材料将机械能转换成电能的衣服缺点是：制作成本较高，工艺较复杂，并且输出电能非常低。由于以上这两种形式的发电衣服都具有很多缺点，因此都还没能够用于实际的生产生活中。

发明内容

为了克服现有技术的上述缺点，本发明的目的在于提供一种结构简单，性能稳定，输出功率高的新型发电机，该发电机可以收集身体活动时产生的微小振动，把振动的机械能转化成电能。人们可以利用该电能直接驱动一些电子器件，或者把电能储存在锂离子电池中，从而实现对锂离子电池的充电。

根据本发明一方面，提供一种摩擦电纳米发电机，由内层材料和外层材料构成，其中：

所述内层材料为柔性的导电内膜；

所述外层材料为外表面设置有导电层的柔性聚合物层，所述导电层作为外层材料的电极层；

所述内层材料和外层材料接触或不接触设置，当有外力作用在所述内层材料和/或外层材料时，聚合物层的全部或部分内表面能够与导电内膜接触和分开，使得所述导电内膜和电极层之间产生电信号。

可选地，所述聚合物层由容易得到电子的高分子聚合物材料构成。

可选地，所述高分子聚合物材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷或聚四氟乙烯。

可选地，所述聚合物层面向所述导电内膜的表面全部或部分设置微纳结构；和/或，所述导电内膜面向所述聚合物层的表面的全部或部分设置微纳结构。

可选地，所述微纳结构为纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管、纳米花或由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列。

可选地，所述聚合物层的厚度为100纳米-100微米。

可选地，所述导电内膜的材料选自金属、玻碳材料、铟锡氧化物ITO导电材料以及上述材料的组合。

可选地，所述导电内膜的厚度为1微米-200微米。

可选地，所述电极层由导电薄膜构成。

可选地，所述导电薄膜选自金属薄膜或铟锡氧化物薄膜。

可选地，构成所述电极层的导电薄膜通过沉积的方式在所述聚合物层的外表面沉积成膜。

可选地，所述电极层的厚度为200纳米-1微米。

根据本发明另一方面，还提供一种发电衣服，包括前述发电机。

可选地，所述发电机的内层材料和外层材料缝制在一起。

可选地，所述发电衣服还包括内层布料和外层布料，按照从外向内依次为外层布料、外层材料、内层材料和内层布料的顺序缝制在一起。

可选地，所述发电衣服还包括内层布料和外层布料，按照从外向内依次为外层布料、外层材料、内层材料和内层布料的顺序层叠在一起，其中，

所述内层材料固定在所述内层布料的表面，所述外层材料固定在所述外层布料的表面。

可选地，所述外层布料和所述内层布料缝制在一起。

根据本发明另一方面，还提供一种制作发电衣服的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，使用导电性能的材料制备柔性的导电内膜101；

步骤S2，使用容易得到电子的高分子聚合物材料制备聚合物层103；

步骤S3，将导电材料通过沉积的方式在所述聚合物层103的外表面沉积成膜，形成电极层102；

步骤S4，将内层材料和外层材料裁剪出衣服的形状后，将内层材料和外层材料接触或不接触设置，使所述柔性聚合物层103的内表面面对所述导电内膜101；当有外力作用时，聚合物层103的部分或全部内表面与导电内膜101接触和分开；

步骤S5，待衣服缝制成型后，将所述电极层102和导电内膜101用导线引出来连接到测试***、电压表或负载上。

可选地，步骤S4之后还包括：

步骤S41：提供裁剪成所述衣服形状的内层布料和外层布料；

步骤S42：从外向内按照外层布料、外层材料、内层材料和内层布料的顺序平铺并缝制在一起形成所述发电衣服。

可选地，步骤S4之后还包括：

步骤S43：提供裁剪成所述衣服形状的内层布料和外层布料，将内层材料固定在所述内层布料上，将外层材料固定在所述外层布料上；

步骤S44：使内层材料面对外层材料将内层布料和外层布料缝制在一起形成所述的发电衣服。

根据本发明另一方面，还提供一种发电方法，使用前述发电机，在所述内层材料和/或外层材料上施加外力，使聚合物层的部分或全部内表面与导电内膜接触和分开，所述导电内膜和电极层之间产生电信号输出。

可选地，所述方法适用于包括多层布料的一件衣服，其中，所述内层材料和所述外层材料分别固定在相邻的两层布料上，其中，所述内层材料固定在所述两层布料中的内层布料上，所述外层材料固定在所述两层布料中的外层布料上；

所述在所述内层材料和/或外层材料上施加外力为：通过所述内层布料和/或外层布料对所述内层材料和/或外层材料施加所述外力。

可选地，所述方法适用于两件衣服互相配合发电，其中，所述导电内膜固定在所述两件衣服中的内层衣服上，所述聚合物层固定在两件衣服中的外层衣服上；

所述在所述导内层材料和/或外层材料上施加外力为：通过所述内层衣服和/或外层衣服对所述内层材料和/或外层材料施加所述外力。

与现有技术相比，本发明的发电衣服具有下列优点：

1、首次采用柔性聚合物层和柔性导电内膜作为发电机，这种设计不需要基底，打破了现有技术中纳米发电机均采用的双基底常规结构，将失电子层、电极层合二为一，采用一个导电内膜代替。这样的设计拓宽了摩擦电纳米发电机的应用范围，可以广泛的应用在微电子器件供电等领域。

2、发电机的导电内膜和聚合物之间不需要设置隔离层，从而极大的简化了发电机的结构和制备工艺，降低了生产成本，非常有利于在工业上的推广和应用。

3、首次基于摩擦电纳米发电机的原理来制作发电衣服，制作出具有较大功率输出的发电衣服，并且性能稳定，几乎不会受到周围环境的影响。

4、利用摩擦电纳米发电机的发电衣服，创新性的采用了柔性材料，不仅体积轻薄，而且对身体的微小振动都有输出，响应非常灵敏。

5、摩擦电纳米发电机输出的电能既可以直接驱动一些电子器件，也可以储存在锂离子电池中，对商业电池充电以进一步驱动更大功率的电子器件。

附图说明

图1为根据本发明一实施例的基于摩擦电纳米发电机的结构示意图。

图2为根据本发明一实施例的发电衣服的内外两层材料的示意图。

图3为利用衣服发电的一个具体实施例，其中，图3a和图3b为外力作用下输出的电信号谱图；图3c为衣服的实际照片以及局部放大图；图3d为图3c中的衣服发电驱动30盏LED灯发光的照片。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于显示出本发明的主旨。

图1为根据本发明一实施例的基于摩擦电纳米发电机的结构示意图，如图1所示，所述发电机由内层材料和外层材料组成，其中：

所述内层材料为柔性的导电内膜101；

所述外层材料为外表面设置有导电层的柔性聚合物层103，所述导电层作为聚合物层103的电极层102；

所述内层材料和外层材料接触或不接触设置，当有外力作用在所述内层材料和/或外层材料时，聚合物层103的全部或部分内表面能够与导电内膜101接触和分开，使得所述导电内膜和电极层之间产生电信号。

所述电极层102和所述导电内膜101通过导线连接到负载104上以构成回路；所述电极层102和所述导电内膜101也可通过导线直接连接到测试***或电压表上构成回路。

由于聚合物层103与导电内膜101的摩擦电性质不同，二者之间存在得电子能力的差异：聚合物层103得电子能力强而导电内膜101更容易失去电子，并且，导电内膜101和聚合物层103都是柔性材料，因此当有外力(例如身体运动或震动)作用在内层材料或外层材料时，聚合物层103或聚合物层103的某些部分会与导电内膜101发生相对位移，从而使聚合物层103的内表面或聚合物层103的部分内表面与导电内膜101接触和分开，使得聚合物层103内表面带有负电荷，而导电内膜101表面则带有正电荷，而聚合物层103将负电荷转移给电极层102，使得导电内膜101和电极层102之间产生瞬态电压，从而将外力的机械能转变为电能实现对外的电信号输出，因此，外表面制备有导电层的聚合物层103与导电内膜101构成了一个结构简单的摩擦电纳米发电机。

多次对发电机的内层材料和/或外层材料施加外力，使得导电内膜101或导电内膜101的部分和聚合物层103之间有接触和分开的不断变化的接触状态，从而在导电内膜101和电极层102之间产生脉冲电信号输出。该发电衣服所发出的电能既可以直接用来驱动一些电子器件，也可以先将电能储存在锂离子电池中，从而实现对锂离子电池充电。

本发明中涉及的聚合物层或导电内膜的摩擦电性质是指材料在与其他材料发生摩擦或接触的过程中显示出来的得失电子能力，即两种材料相接触时一个带正电，一个带负电，说明这两种材料的得电子能力不同，亦即二者的摩擦电性质不同。例如，高分子材料聚对二甲基硅氧烷(PDMS)与金属材料铝箔接触时铝箔得电子能力较弱带正电，聚对二甲基硅氧烷(PDMS)得电子能力较强带负电。

聚合物层103可以采用高分子聚合物，优选的，聚合物层可以使用以下容易得到电子的高分子聚合物材料中的一种，其中，下列材料按照排列的顺序具有越来越强的得电子能力：聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯。限于篇幅的原因，本发明不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的聚合物材料以供参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

通过实验发现，当聚合物层103的材料与导电内膜101的材料的得电子能力相差越大时，纳米发电机输出的电信号越强，所以，本领域的技术人员可以根据材料的不同摩擦电性质来挑选，以获得最佳的电信号输出性能。

所述聚合物层103的厚度无特别要求，本发明中优选为聚合物层103的厚度为50纳米-500微米。为了提高所述摩擦电纳米发电机的灵敏度，所述聚合物层103的厚度可尽量薄一些，比如100纳米-100微米，而制备该薄层聚合物层103的方法为本领域的常规方法，在此不再赘述。

所述导电内膜101的厚度不作特别要求，其厚度范围优选为1微米-200微米。

为了提高发电机的电信号输出性能，优选在聚合物层103面向导电内膜101的表面全部或部分设置微纳结构，以增加聚合物层103和导电内膜101的有效接触面积，提高二者的表面电荷密度，该微纳结构优选为纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的阵列；所述阵列可以是通过光刻蚀等方法制备的线状、立方体、或者四棱锥形状的阵列；所述阵列中，每个阵列单元的尺寸在纳米到微米量级。具体微纳结构的单元尺寸、形状不应该限制本发明的保护范围。

所述电极层102可以由导电薄膜构成，可选自金属薄膜或铟锡氧化物薄膜，更优选为金属薄膜，例如铝膜、金膜、铜膜；电极层102也可以由金属薄片构成，例如铝箔、铜箔等。

所述电极层102的厚度不做特别要求，其厚度范围优选为200纳米-1微米。

所述电极层102应该与所述聚合物层103紧密接触，以保证电荷的传输效率，较好的方式是将构成电极层102的导电材料通过沉积的方式在聚合物层103的外表面沉积成膜，具体的沉积方法可以为磁控溅射或蒸镀。

另外，本发明对于制备所述导电内膜101的材料没有特殊要求，只要具有导电性的柔性材料即可，具有导电性能的材料都相对容易失去电子，在与聚合物层103接触时就能够形成电荷的转移，从而产生净剩电荷，用于发电。常规的导电材料均可用于本发明，例如金属、玻碳材料、铟锡氧化物ITO导电材料以及上述材料的组合。所述的金属可以是铝、金、铜等纯金属，也可以是多种金属的合金。由于与聚合物层103接触的仅仅是导电内膜101的外表面，所以仅要求导电内膜101面向聚合物层103的表面由导电材料构成，而对其内部材料没有特殊要求。因此，所述导电内膜101可以是组分均匀的一体结构，如玻碳、单一金属或合金等，也可以是基体通过包覆、沉积或镀的方法在外表面形成导电材料层的非均匀结构。

为了增加所述导电内膜101与聚合物层103的接触面积，提高表面电荷密度，可以将导电内膜101面向聚合物层103的表面的部分或全部设置微纳结构，该微纳结构的位置可以与聚合物层103内表面的微纳结构相对应，也可以相互错开，二者的微纳结构可以相同也可以不同，作为优选，导电内膜101面向聚合物层103的表面的微纳结构为纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管或纳米花，特别是由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列。

在身体有外力作用的情况下，只要导电内膜101与聚合物层103的接触状态发生变化，就会产生电能。因此，所述导电内膜101的表面与聚合物层103内表面之间在未受外力作用的情况下可以完全不接触(即彼此之间存在间隔)，也可以部分接触或者全部解除，其中所述聚合物层103的内表面与所述导电内膜101的表面不接触位置之间的距离为8mm至10μm，较好为5mm至50μm，优选为1mm至100μm，更优选为800μm至100μm。在外力作用下，改变了聚合物层103的部分或全部内表面与导电内膜之间的接触状态，导致聚合物层和导电内膜之间的表面发生电荷转移。具体可以为在外力作用下聚合物层的内表面与导电内膜接触再分开，也可以为互相接触的聚合物层和导电内膜在外力作用下聚合物层的部分内表面与导电内膜接触后和分开。

本发明的发电机中，由于导电内膜与聚合物层都采用柔性材料，在外力作用下，聚合物层的部分或全部表面可以与导电内膜接触和分开，因此，并不需要在聚合物层与导电内膜之间设置可以将两者分开的弹性隔离层，是一种结构更加简单的柔性发电机。

本发明提供的发电机采用柔性材料制备，因此可以作为衣服或者是衣服的部分，当身体运动时，带动发电机的内层材料和外层材料之间的接触状态发生变化，从而将身体运动产生的机械能转变为电能。

本发明提供的发电衣服，包括前述的发电机。

本发明的发电衣服本身就可以是一个发电机，即发电机的内层材料和外层材料本身就是衣服的材料，将发电机直接制备成衣服的形状。

本发明的发电衣服中，发电机的内层材料和外层材料可以缝制在一起形成发电衣服。具体的，内层材料和外层材料可以只有边缘缝制在一起，也可以是边缘和中部都缝制在一起。在这里内层材料和外层材料具体的缝制位置不应限定本发明的保护范围。

本发明的发电衣服还可以包括内层布料和外层布料，按照从外向内依次为外层布料、外层材料、内层材料和内层布料的顺序缝制在一起形成发电衣服。内层布料和外层布料可以为制作衣服的常用布料，内层布料与外层布料的使用使得该发电衣服穿着更为舒适。

在本发明的其它实施方式中，发电衣服的内层材料和外层材料还可以不直接缝制在一起，可以在发电衣服中包括内层布料和外层布料，按照从外向内依次为外层布料、外层材料、内层材料和内层布料的顺序层叠在一起，将发电机的内层材料固定在所述内层布料的表面，将发电机的外层材料固定在所述外层布料的表面。内层布料和外层布料可以缝制在一起，也可以直接层叠而不进行缝制。这里所述的内层布料和外层布料可以为制作衣服的常用布料。

根据本发明的另一方面，还提出一种制备上述发电衣服的方法，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，使用导电性能的材料制备柔性的导电内膜101；

步骤S2，使用容易得到电子的聚合物材料制备聚合物层103；

步骤S3，将导电材料通过沉积的方式在所述聚合物层103的外表面沉积成膜，形成电极层102。

步骤S4，将内层材料和外层材料裁剪出衣服的形状后，将内层材料和外层材料接触或不接触设置，使所述柔性聚合物层103的内表面面对所述导电内膜101；当外力作用时，聚合物层103内表面或聚合物层103的部分内表面与导电内膜101接触和分开。

步骤S5，衣服缝制成型后，将所述电极层102和导电内膜101用导线引出，可以连接到测试***或电压表上，也可以直接连接到负载上。

在步骤S4之后还可以包括步骤S41：提供裁剪成所述衣服形状的内层布料和外层布料；步骤S42：从外向内按照外层布料、外层材料、内层材料和内层布料的顺序平铺并缝制在一起形成所述的发电衣服。

或者，在步骤S4之后还可以包括步骤S43：提供裁剪成所述衣服形状的内层布料和外层布料，将内层材料固定在所述内层布料上，将外层材料固定在所述外层布料上。之后还可以包括步骤S44：使内层材料面对外层材料将内层布料和外层布料缝制在一起形成所述的发电衣服。

所述内层布料和外层布料为制作衣服的常用布料，缝制过程中所用的线为普通的缝制衣服的尼龙线、棉线等。

图2是本发明发电衣服的两层材料的典型结构，图2中，外层材料103/102为内表面镀有金属作为电极层的聚合物层，内层材料101为导电内膜。将这两层材料平铺在一起，裁剪成衣服或者衣服的某一部分，然后从电极层102和导电内膜101引线出来，可直接连接到负载。可以看出，本发明的发电衣服的核心部件是柔性的摩擦电纳米发电机，将该纳米发电机的得电子层和失电子层柔性化，将面积扩大成类似于制作衣服的布料一样，然后将两层布料以及上述两层材料按顺序裁剪制作成一件衣服或者衣服的某一部分。穿上此衣服后，当身体有任何轻微振动都会输出电信号即电能。

在本发明一实施例中，可采用以下方法来制备所述摩擦电纳米发电机：

首先采用蒸镀法在长为5cm、宽为6.5cm、厚为500nm的聚二甲基硅氧烷的下表面均匀镀上一层厚度为300nm的金Au薄膜，冷却后将一根导线的一端通过焊接固定在金Au薄膜的外侧，实现金Au薄膜与导线的连接，如此形成由聚二甲基硅氧烷和Au薄膜构成的柔性外层材料；

然后将一块厚度为100μm的Cu膜作为柔性内层材料，并且引出导线；

最后将两层材料平铺在一起，用手轻轻拍这两层材料，即有电信号输出，这就说明若使用上述材料制备发电机就能够将机械能转换成电能，这同时也表明该摩擦电纳米发电机能够将机械能转换成电能。

在本发明一实施例中，可利用下述方法制备发电衣服：

首先采用蒸镀法在长为5cm、宽为6.5cm、厚为100nm的聚二甲基硅氧烷的下表面均匀镀上一层厚度为300nm Cu薄膜，冷却后将一根导线的一端通过焊接固定在Cu薄膜的外侧，实现金Cu薄膜与导线的连接，如此形成由聚二甲基硅氧烷和Cu薄膜构成的柔性外层材料；

然后将一块厚度为150μm Al膜作为柔性内层材料，并且引出导线；

最后将两层材料平铺在一起，内层增加一层内层布料，外层增加一层外层布料，将内层布料、所述两层柔性材料和外层布料由内向外用普通的尼龙线或者棉线缝制成一件衣服。

穿上此衣服，轻轻抖动一下，即有电信号输出，这说明该发电衣服能够将机械能转换成电能。

本发明的一个重要特点就是选用内外两层柔性材料来缝制衣服，外层材料为制备有导电层的PDMS薄膜，内层材料为导电内膜，并且这两层材料柔性极高，质量很轻，所选材料成本低廉。

本发明的另一个重要特点是打破了原有失电子层需要基底支撑的常规思路，将失电子层、基底层和电极层合而为一，极大的简化了结构和制备工艺，节约了成本，非常有利于摩擦电纳米发电机在工业生产中的推广和应用。

另外，本发明提供的发电衣服输出功率高，只需要身体有微小的振动即可将机械能转变为电能，并且不受天气等环境因素的影响，可以直接驱动电子器件，也可以将机械能转换成电能然后储存在锂离子电池，实现对电池的充电。

本发明还提供一种使用前述发电机的发电方法，在所述内层材料和/或外层材料上施加外力，使聚合物层的部分或全部内表面与导电内膜接触和分开，所述导电内膜和电极层之间产生电信号输出。

结合图1详细介绍这种发电方法，在导电内膜101和/或聚合物层103上施加外力，使聚合物层103的部分或全部内表面与导电内膜101之间接触和分开，在所述导电内膜101和电极层102之间产生电信号输出。

前文已经对导电内膜、聚合物层和电极层的材料选择和制备方法进行了详细的描述，在这里不再重复。

这种方法可以应用在多种领域，特别是衣服发电领域，特别是可以适用在包括多层布料的一件衣服的发电，也可以适用在利用两件衣服互相配合发电。

对于适用在包括多层布料的一件衣服的发电方面，可以将所述发电机的内层材料和外层材料分别固定在相邻的两层布料上，其中，所述导电内膜固定在所述两层布料中的内层布料上，所述聚合物层固定在所述两层布料中的外层布料上。在所述内层材料和/或外层材料上施加外力，具体为：通过所述内层布料和/或外层布料对所述内层材料和/或外层材料施加所述外力。

当运动产生的外力作用在所述两层布料上时，带动聚合物层的部分或全部内表面与导电内膜接触和分开，从而在导电内膜和电极层之间产生电信号。导电内膜和聚合物层在衣服布料上的位置可以根据需要设定，例如可以选择膝部、肘部等活动较多的部位。

对于适用在两件衣服相互配合发电方面，可以将所述内层材料固定在所述两件衣服中的内层衣服上，所述外层材料固定在所述两件衣服中的外层衣服上。在所述内层材料和/或外层材料上施加外力，具体为：通过所述内层衣服和/或外层衣服对所述内层材料和/或外层材料施加所述外力。

当运动产生的外力作用在所述两件衣服上时，例如拍打两件衣服或者两件衣服之间的开合运动，带动聚合物层的部分或全部内表面与导电内膜接触和分开，从而在导电内膜和电极层之间产生电信号，实现两件衣服互相配合发电。导电内膜和聚合物层在两件衣服上的位置可以根据需要设定，例如可以选择膝部、肘部等活动较多的部位。

图3为利用两件衣服发电的具体实施例，图3中，内层衣服110可以为衬衫等衣服，外层衣服120可以为衬衫等衣服，导电内膜101采用Al箔，聚合物层103采用PDMS薄膜，PDMS薄膜的内表面制备有纳米线阵列，外表面为电极层Cu薄膜，导电内膜101设置在内层衣服110上，PDMS下表面面向外层衣服120设置在外层衣服上。当用力拍打将外层衣服120与内层衣服110贴合与分开时，PDMS薄膜103与Al箔101不断接触和分离，在Cu电极层和Al箔之间有电信号输出。图3a和3b为外力作用下输出的电信号谱图，图3c为衣服的实际照片以及局部放大图；图3d为图3c中的衣服发电驱动30盏LED灯发光的照片。从图3d中可以看出，输出的电能可以点亮30盏LED灯，表明采用本发明提供的发电衣服，或者是利用衣服的发电方法，可以方便的将人体运动产生的机械能转变为电能加以利用。

需要说明的是，本发明中提到的内层布料和外层布料只是为了区别两层布料，并不特别限定两层布料的内外关系。同样，内层衣服和外层衣服也只是为了区别两件衣服，并不特别限定两件衣服的内外关系。

本发明中提到的发电衣服，是对衣服的统称，并不限定为上衣，可以为内衣、裤子等。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (23)

1.一种摩擦电纳米发电机，其特征在于，由内层材料和外层材料构成，其中：

所述内层材料为柔性的导电内膜；

所述外层材料为外表面设置有导电层的柔性聚合物层，所述导电层作为外层材料的电极层；

所述内层材料和外层材料接触或不接触设置，当有外力作用在所述内层材料和/或外层材料时，聚合物层的全部或部分内表面能够与导电内膜接触和分开，使得所述导电内膜和电极层之间产生电信号。

2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述聚合物层由容易得到电子的高分子聚合物材料构成。

3.根据权利要求2所述的发电机，其特征在于，所述高分子聚合物材料选自聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇、聚酯、聚异丁烯、聚氨酯弹性海绵、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯醇缩丁醛、聚氯丁二烯、天然橡胶、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚苯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚氯乙烯、聚二甲基硅氧烷或聚四氟乙烯。

4.根据权利要求1-3任一项所述的发电机，其特征在于，所述聚合物层面向所述导电内膜的表面全部或部分设置微纳结构；

和/或，

所述导电内膜面向所述聚合物层的表面的全部或部分设置微纳结构。

5.根据权利要求4所述的发电机，其特征在于，所述微纳结构为纳米线、纳米颗粒、纳米棒、纳米管、纳米花或由纳米线、纳米管或纳米棒组成的纳米阵列。

6.根据权利要求1-5任一项所述的发电机，其特征在于，所述聚合物层的厚度为100纳米-100微米。

7.根据权利要求1-6任一项所述的发电机，其特征在于，所述导电内膜的材料选自金属、玻碳材料、铟锡氧化物ITO导电材料以及上述材料的组合。

8.根据权利要求1-7任一项所述的发电机，其特征在于，所述导电内膜的厚度为1微米-200微米。

9.根据权利要求1-8任一项所述的发电机，其特征在于，所述电极层由导电薄膜构成。

10.根据权利要求9所述的发电机，其特征在于，所述导电薄膜选自金属薄膜或铟锡氧化物薄膜。

11.根据权利要求1-10任一项所述的发电机，其特征在于，构成所述电极层的导电薄膜通过沉积的方式在所述聚合物层的外表面沉积成膜。

12.根据权利要求1-11任一项所述的发电机，其特征在于，所述电极层的厚度为200纳米-1微米。

13.一种发电衣服，其特征在于，包括权利要求1-12任一项所述的发电机。

14.根据权利要求13所述的发电衣服，其特征在于，所述发电机的内层材料和外层材料缝制在一起。

15.根据权利要求13或14所述的发电衣服，其特征在于，所述发电衣服还包括内层布料和外层布料，按照从外向内依次为外层布料、外层材料、内层材料和内层布料的顺序缝制在一起。

16.根据权利要求13所述的发电衣服，其特征在于，所述发电衣服还包括内层布料和外层布料，按照从外向内依次为外层布料、外层材料、内层材料和内层布料的顺序层叠在一起，其中，

所述内层材料固定在所述内层布料的表面，所述外层材料固定在所述外层布料的表面。

17.根据权利要求16所述的发电衣服，所述外层布料和所述内层布料缝制在一起。

18.一种制作发电衣服的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤S1，使用导电性能的材料制备柔性的导电内膜(101)；

步骤S2，使用容易得到电子的高分子聚合物材料制备聚合物层(103)；

步骤S3，将导电材料通过沉积的方式在所述聚合物层(103)的外表面沉积成膜，形成电极层(102)；

步骤S4，将内层材料和外层材料裁剪出衣服的形状后，将内层材料和外层材料接触或不接触设置，使所述柔性聚合物层(103)的内表面面对所述导电内膜(101)；当有外力作用时，聚合物层(103)的部分或全部内表面与导电内膜(101)接触和分开；

步骤S5，待衣服缝制成型后，将所述电极层(102)和导电内膜(101)用导线引出来连接到测试***、电压表或负载上。

19.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，步骤S4之后还包括：

步骤S41：提供裁剪成所述衣服形状的内层布料和外层布料；

步骤S42：从外向内按照外层布料、外层材料、内层材料和内层布料的顺序平铺并缝制在一起形成所述发电衣服。

20.根据权利要求18所述的方法，其特征在于，步骤S4之后还包括：

步骤S43：提供裁剪成所述衣服形状的内层布料和外层布料，将内层材料固定在所述内层布料上，将外层材料固定在所述外层布料上；

步骤S44：使内层材料面对外层材料将内层布料和外层布料缝制在一起形成所述的发电衣服。

21.一种发电方法，其特征在于，使用如权利要求1-12任一项所述的发电机，在所述内层材料和/或外层材料上施加外力，使聚合物层的部分或全部内表面与导电内膜接触和分开，所述导电内膜和电极层之间产生电信号输出。

22.根据权利要求21所述的发电方法，其特征在于，所述方法适用于包括多层布料的一件衣服，其中，所述内层材料和所述外层材料分别固定在相邻的两层布料上，其中，所述内层材料固定在所述两层布料中的内层布料上，所述外层材料固定在所述两层布料中的外层布料上；

所述在所述内层材料和/或外层材料上施加外力为：通过所述内层布料和/或外层布料对所述内层材料和/或外层材料施加所述外力。

23.根据权利要求21所述的发电方法，其特征在于，所述方法适用于两件衣服互相配合发电，其中，所述导电内膜固定在所述两件衣服中的内层衣服上，所述聚合物层固定在两件衣服中的外层衣服上；

所述在所述导内层材料和/或外层材料上施加外力为：通过所述内层衣服和/或外层衣服对所述内层材料和/或外层材料施加所述外力。

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