纤维基摩擦纳米发电机、布料、传感器和传感装置

摘要

本发明提出了一种纤维基摩擦纳米发电机，包括中空纤维管和填充在所述中空纤维管中的液态导体，形成液态电极-聚合物复合纤维，可以将该复合纤维编织成摩擦电布料。还提供应用该发电机和摩擦电布料的传感器和可穿戴装置。本发明的发电机可以通过泵吸的方式大规模制作液态电极-聚合物复合纤维，进而可以织成布料作为可穿戴的发电机和传感器。本发明的发电机和布料的复合纤维具有很好的柔性，使得织成的布料和服装在收集人体机械能的同时具有非常好的舒适性和贴合性。

权利要求

1.一种纤维基摩擦纳米发电机，其特征在于，包括中空纤维管和填充在所述中空纤维管中的液态导体，形成液态电极-聚合物复合纤维。

2.根据权利要求1所述的发电机，其特征在于，所述液态导体采用具有流动性的液态导体；优选为氯化钠水溶液、镓铟锡液态金属、镓锌液态金属；或者，所述中空纤维细管采用聚四氟乙烯、硅胶、尼龙或聚氯乙烯。

3.根据权利要求1或2所述的发电机，其特征在于，所述中空纤维细管的内径尺寸范围

300微米-1000微米，外径尺寸范围600微米-2000微米。

4.根据权利要求1-3任一项所述的发电机，其特征在于，所述液态导体通过泵吸的方式吸入所述中空纤维管中。

5.根据权利要求1-4任一项所述的发电机，其特征在于，所述液态导体通过导线与其他导体连接，当与所述中空纤维管摩擦电性能不同的材料与所述中空纤维管摩擦或者接触分离，在所述液体导体输出电信号。

6.一种传感器，其特征在于，包括由权利要求1-5任一项所述的纤维基摩擦纳米发电机。

7.一种摩擦电布料，其特征在于，由权利要求1-5任一项所述纤维基摩擦纳米发电机的液态电极-聚合物复合纤维编织形成，所述液态导体通过导线与其它导体连接。

8.一种摩擦电布料，其特征在于，由权利要求1-5任一项所述纤维基摩擦纳米发电机的液态电极-聚合物复合纤维与铜导线进行编织形成，所述液态导体与所述铜导线连接；优选的，所述铜导线的外径与所述复合纤维外径相同。

9.一种摩擦电布料传感器，其特征在于，包括权利要求7或8所述的摩擦电布料。

10.一种可穿戴装置，其特征在于，包括权利要求7或8所述的摩擦电布料，或者包括权利要求9所述的摩擦电布料传感器。

说明书

纤维基摩擦纳米发电机、布料、传感器和传感装置

技术领域

[0001] 本发明涉及一种发电机，特别涉及一种纤维基摩擦纳米发电机，以及由此编织的布料，以及传感器和传感装置。

背景技术

[0002] 摩擦纳米发电机可以将低频机械能高效的转变为电能，在人体机械能收集、可穿戴电子等领域具有重要的应用优势，尤其是低频、小幅度的环境机械能收集方面。织物基纳米发电机具有高透气性、高舒适性，能够在原位收集人体机械能。

[0003] 现有的织物摩擦纳米发电机，大多在商业基底上去设计形成，降低了织物整体的透气性、安全性和舒适度。另外当前的织物摩擦纳米发电机采用固态电极居多，如碳纳米管、钢丝、银纳米线等，这些电极材料柔性差，并且内阻大，影响发电效率。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种纤维基摩擦纳米发电机，获得具有良好柔性的可编织复合纤维，穿戴舒适，可以在穿戴时将运动能量转变为电能或者传感器信号。

[0005] 为了实现上述目的，本发明提供一种纤维基摩擦纳米发电机，包括中空纤维管和填充在所述中空纤维管中的液态导体，形成液态电极-聚合物复合纤维。

[0006] 优选的，所述液态导体采用具有流动性的液态导体；优选为氯化钠水溶液、镓铟锡液态金属、镓锌液态金属；或者，所述中空纤维细管采用聚四氟乙烯、硅胶、尼龙或聚氯乙烯。

[0007] 优选的，所述中空纤维细管的内径尺寸范围300微米-1000微米，外径尺寸范围600微米-2000微米。

[0008] 优选的，所述液态导体通过泵吸的方式吸入所述中空纤维管中。

[0009] 优选的，所述液态导体通过导线与其他导体连接，当与所述中空纤维管摩擦电性能不同的材料与所述中空纤维管摩擦或者接触分离，在所述液体导体输出电信号。

[0010] 相应的，本发明还提供一种传感器，包括由上述任一项所述纤维基摩擦纳米发电机的纤维基摩擦纳米发电机。

[0011] 相应的，本发明还提供一种摩擦电布料，由上述任一项所述纤维基摩擦纳米发电机的液态电极-聚合物复合纤维编织形成，所述液态导体通过导线与其它导体连接。

[0012] 相应的，本发明还提供一种摩擦电布料，由上述任一项所述纤维基摩擦纳米发电机的液态电极-聚合物复合纤维与铜导线进行编织形成，所述液态导体与所述铜导线连接；优选的，所述铜导线的外径与所述复合纤维外径相同。

[0013] 本发明还提供一种摩擦电布料传感器，包括所述的摩擦电布料。

[0014] 本发明还提供一种可穿戴装置，包括所述的摩擦电布料，或者包括所述的摩擦电布料传感器。

[0015] 通过上述技术方案，本发明的有益效果是：

[0016] 本发明提供的纤维基摩擦纳米发电机，由于采用中空纤维管，并且电极为具有良好流动性的液态导体，使的摩擦纳米发电机整体具有良好的柔性，可以方便的编织为摩擦电布料，这样的布料穿着舒适并且具有良好透气性和贴合性，可以作为人体运动的能量收集的发电机，也可以作为自驱动的运动传感器。

附图说明

[0017] 附图是用来提供对本发明的进一步理解，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发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

[0018] 图1为摩擦纳米发电机的液态电极-聚合物复合纤维制备示意图；

[0019] 图2为液态电极-聚合物复合纤维编织的摩擦电布料示意图；

[0020] 图3为纤维基摩擦纳米发电机的发电原理图；

[0021] 图4为人手与摩擦电布料的发电过程示意图；

[0022] 图5、图6分别为摩擦电布料与商业真丝布料摩擦的开路电压和电流输出测试结果。

具体实施方式

[0023] 以下结合附图对本发明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发明，并不用于限制本发明。

[0024] 本发明提供一种纤维基摩擦纳米发电机，参见图1至图3，包括中空纤维管2和填充在中空纤维管中的液态导体1，形成液态电极-聚合物复合纤维。液态导体1为电极，通过导线与其它导体连接，当与中空纤维管2摩擦电性能不同的材料与中空纤维管2摩擦或者接触分离，可以在液体导体输出电信号。

[0025] 参见图1，液态电极-聚合物复合纤维的制备方法可以为，通过真空泵3在成卷的中空纤维细管2中抽入液态导体1作为液态电极，得到大量的液态电极-聚合物复合纤维细管。其中，液态导体1可以采用氯化钠(NaCl)水溶液、镓铟锡液态金属(常温下为液态)、镓锌液态金属(常温下为液态)等具有流动性的液态导体；中空纤维细管2可以采用聚四氟乙烯(PTFE)、硅胶、尼龙、聚氯乙烯(PVC)等易加工的中空聚合物细管，为了方便编织，一般外径在600微米-2000微米，中空纤维细管2的内径尺寸范围在300微米-1000微米。

[0026] 图3为液态电极-聚合物复合纤维的发电原理图，人体皮肤或与中空纤维细管21的摩擦电序列不同的商业布料5，当与液态电极-聚合物复合纤维互相接触分离时，会在二者表面产生不同的电荷，在静电感应作用下在液体电极22与人体皮肤5之间产生电荷流动，实现将机械信号转变为点信号。该电信号可以作为其他用电器的电源，也可以作为机械信号的传感信号，实现自驱动传感。

[0027] 本发明可以通过泵吸的方式大规模制作液态电极-聚合物复合纤维，基于这样一种复合纤维，进而可以织成布料和进一步设计成服装，由于液态电极相比固态电极具有很好的流动性，所以可以采用泵吸这样一种大规模的制备方法。另外最终的复合纤维具有很好的柔性，使得织成的布料和服装在收集人体机械能的同时具有非常好的舒适性和贴合性。

[0028] 摩擦电布料制备，可以将上述液态电极-聚合物复合纤维单独进行编织，将其中的液体电极通过铜导线4与其他导体连接后形成摩擦电布料。图4为人手与摩擦电布料的发电过程图，当人体(手或者其他部位)与布料接触分离运动时，在摩擦电布料中产生电信号输出。

[0029] 摩擦电布料制备，还可以通过将上述的液态电极-聚合物复合纤维与铜(Cu)导线一起进行编织，得到一整块布料，液态导体1与铜导线连接。在布料被变形时，复合纤维与铜导线互相摩擦，在液体电极与铜导线之间会产生电信号。铜(Cu)导线的外径优选与复合纤维外径相同。

[0030] 图5、图6分别为液态电极-聚合物复合纤维编织的摩擦电布料与商业真丝布料摩擦的开路电压和电流输出，开路电压达到100伏，电流输出达到约6微安。

[0031] 本发明提供的纤维基摩擦纳米发电机和由此编织的摩擦电布料可以作为一种运动传感器，对机械运动进行传感。由纤维基摩擦纳米发电机编织成的摩擦电布料可以作为运动的传感器，例如可穿戴装置的发电机和传感器，实现自驱动的可穿戴传感。

[0032] 另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。