摩擦發(fā)電機的電極的制作方法
【技術(shù)領域】
[0001]本實用新型涉及一種摩擦發(fā)電機的電極，尤其涉及一種具有嵌合體結(jié)構(gòu)的摩擦發(fā)電機的電極。
【背景技術(shù)】
[0002]采用納米技術(shù)構(gòu)建的能量收集和轉(zhuǎn)換裝置，在自供電納米系統(tǒng)中起關(guān)鍵作用，由于其環(huán)保、節(jié)能、自驅(qū)動性質(zhì)而日益受到廣泛關(guān)注。隨著王中林教授研究組研發(fā)的壓電納米發(fā)電機首次將機械能轉(zhuǎn)換為電能以來，以壓電和摩擦電為基礎的不同結(jié)構(gòu)和材料的納米發(fā)電機相繼問世。
[0003]但現(xiàn)有的摩擦發(fā)電機中電極層與摩擦層為層疊設置結(jié)構(gòu)，即兩層材料為平面結(jié)構(gòu)，多采用濺射金屬薄層、粘貼導電層或刷涂導電層等，所制備的摩擦發(fā)電機電極與摩擦層接觸不牢固。另外，由于摩擦發(fā)電機的摩擦層與電極層為平面接觸，發(fā)電效率較低。
[0004]因此，需要尋找一種新型的摩擦發(fā)電機電極，以增強電極的牢固程度，提高摩擦發(fā)電機的發(fā)電性能。
【實用新型內(nèi)容】
[0005]本實用新型所要解決的技術(shù)問題是:克服現(xiàn)有摩擦發(fā)電機電極與摩擦層接觸不牢固、發(fā)電效率低的缺陷，提供了一種摩擦發(fā)電機的電極，能夠增加電極的牢固程度，并提高摩擦發(fā)電機的發(fā)電性能和柔韌性。
[0006]為解決上述技術(shù)問題，本實用新型提供的技術(shù)方案為一種摩擦發(fā)電機的電極，具體為:
[0007]—種摩擦發(fā)電機的電極，所述摩擦發(fā)電機電極包括多孔電極層和聚合物層，所述多孔電極層與所述聚合物層相互嵌合，形成嵌合體。
[0008]前述的摩擦發(fā)電機的電極，所述嵌合為部分嵌合，即多孔電極層的一部分與聚合物層的一部分相互嵌合，形成部分嵌合體。
[0009]前述的摩擦發(fā)電機的電極，所述嵌合為完全嵌合，即全部多孔電極層與全部聚合物層相互嵌合，形成完全嵌合體。
[0010]前述的摩擦發(fā)電機的電極，所述多孔電極層為多孔金屬或其復合多孔體，優(yōu)選泡沫鎳、泡沫銅、泡沫鋁、多孔鐵、多孔銅或其復合多孔體中的至少一種。
[0011]與現(xiàn)有的摩擦發(fā)電機的電極相比，本實用新型的摩擦發(fā)電機的電極具有以下優(yōu)占.
[0012]1)本實用新型摩擦發(fā)電機的電極增強了電極的牢固程度，使其不容易脫落。
[0013]2)本實用新型摩擦發(fā)電機的電極提高了摩擦發(fā)電機的發(fā)電性能。
[0014]3)本實用新型摩擦發(fā)電機的電極提高了摩擦發(fā)電機的柔韌性。
【附圖說明】
[0015]圖1是本實用新型摩擦發(fā)電機電極的一個【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0016]圖2是本實用新型摩擦發(fā)電機電極的另一個【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0017]圖3是本實用新型摩擦發(fā)電機電極的嵌合體的截面圖。
[0018]圖4是本實用新型摩擦發(fā)電機電極的制備工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0019]為了更好的了解本實用新型的目的、結(jié)構(gòu)及功能，下面結(jié)合附圖，對本實用新型的一種摩擦發(fā)電機的電極設置及其制備方法做進一步詳細的描述。
[0020]本實用新型的摩擦發(fā)電機的電極包括多孔電極層和聚合物層，多孔電極層與聚合物層相互嵌合，形成嵌合體。
[0021]其中，多孔電極層是具有泡沫狀結(jié)構(gòu)或海綿狀結(jié)構(gòu)的多孔金屬或其復合多孔體，例如可以是市售的泡沫鎳、泡沫銅、泡沫鋁、多孔鐵、多孔銅或其復合多孔體中的一種。
[0022]其中，聚合物層可以是市售的熱塑性或者熱固性高分子材料，例如可以是市購的PDMS (聚二甲基硅氧烷)、甲基乙烯基硅橡膠、氟硅橡膠、酚醛樹脂或硫化橡膠。
[0023]圖1是本實用新型摩擦發(fā)電機電極的一個【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實用新型的摩擦發(fā)電機的電極包括多孔電極層1和聚合物層2，多孔電極層1的一部分與聚合物層2的一部分相互嵌合，形成部分嵌合體，多孔電極層1的另一部分和聚合物層2的另一部分均裸露在外。
[0024]圖2是本實用新型摩擦發(fā)電機電極的另一個【具體實施方式】的結(jié)構(gòu)示意圖。如圖2所示，本實用新型的摩擦發(fā)電機的電極包括多孔電極層與聚合物層，多孔電極層和聚合物層嵌合形成的完全嵌合體。
[0025]圖3是本實用新型摩擦發(fā)電機電極的嵌合體的截面圖。如圖3所示，在嵌合體中，多孔電極層與聚合物層相互嵌合，聚合物22包覆多孔電極11，且聚合物22進入多孔電極11的微孔中。
[0026]如圖1、圖2和圖3所示，本實用新型的摩擦發(fā)電機的電極設置方式，多孔金屬或其復合多孔體整體作為摩擦發(fā)電機的電極層并與聚合物層形成良好的結(jié)合，一方面增加了電極的牢固程度，使其不容易脫落，另一方面，與平板狀電極層相比，由于電極的多孔結(jié)構(gòu)，具有比較大的比表面積，與聚合物層形成更大的接觸面積，能夠感應更多的電荷；在多孔電極層為泡沫鎳的一個【具體實施方式】中，摩擦發(fā)電機的發(fā)電性能提高了約30 %。
[0027]另外，由于多孔金屬本身的多孔結(jié)構(gòu)，使本實用新型的摩擦發(fā)電機的電極設置方式比平板結(jié)構(gòu)具有更好的柔韌性，增加了摩擦發(fā)電機的整體柔性。
[0028]本實用新型所述結(jié)構(gòu)的電極可以應用于三層(聚合物和摩擦電極的摩擦)、四層(聚合物和聚合物的摩擦)、五層(居間薄膜摩擦發(fā)電機和居間電極發(fā)摩擦電機)、彈簧、拱形、金屬氧化物和聚合物等納米摩擦發(fā)電機的結(jié)構(gòu)中。
[0029]另一方面，如圖4所示，本實用新型的摩擦發(fā)電機電極的制備方法，包括以下步驟:
[0030](1)在具有微結(jié)構(gòu)的模板表面刷涂第一聚合物層，并進行除氣處理；
[0031]其中，所述模板是本領域常規(guī)使用的具有微結(jié)構(gòu)的模板，例如可以是硅模板、玻璃、金屬、有機玻璃等；所述微結(jié)構(gòu)為微納凹凸結(jié)構(gòu)，凸起高度為50?3000nm的凹凸結(jié)構(gòu)；所述除氣處理通過抽真空進行。
[0032]本實用新型所用聚合物可以是市售的熱塑性或者熱固性高分子材料，例如可以是市購的PDMS (聚二甲基硅氧烷)、甲基乙烯基硅橡膠、氟硅橡膠、酚醛樹脂或硫化橡膠。
[0033]所述聚合物層是將高分子材料和固化劑混勻后得到的漿料，或者是將高分子材料和固化劑混勻后溶于有機溶劑中配成的漿料，根據(jù)選擇的高分子材料類型，選擇合適的固化劑類型和有機溶劑類型。
[0034]高分子材料可以是PDMS ;將PDMS與固化劑混合均勻后溶于有機溶劑中，攪拌攪拌均勻，配成漿料；所述有機溶劑為正己烷、環(huán)己烷、甲苯、二甲苯、乙酸乙酯或乙酸丁酯；優(yōu)選PDMS漿料中固體(混合物)與有機溶劑的質(zhì)量比為1:20 ;所述固化劑為硫化劑，如市購的道康寧184，此時高分子材料與固化劑的重量比為5:1?20:1，優(yōu)選10:1 ;固化溫度為60?120°C ;優(yōu)選在攪拌過程中可以伴隨加熱。
[0035]高分子材料PDMS本身是液態(tài)的，也可以不需要使用有機溶劑，僅將固化劑添加到高分子材料中即可，高分子材料與固化劑的重量比為5:1?20:1，優(yōu)選10:1。
[0036]同樣地，高分子材料也可以是液態(tài)的酚醛樹脂，包括苯酚醛樹脂、甲醛樹脂；固化劑可以是脂環(huán)族多胺、叔胺、咪唑類以及三氟化硼絡合物等；固化溫度為60?120°C。
[0037]高分子材料還可以是液態(tài)的甲基乙烯基硅橡膠或氟硅橡膠；固化劑可以是正硅酸乙酯或有機錫；固化溫度為60?120°C。
[0038]高分子材料還可以是硫化橡膠，則刷涂過程中的聚合物漿料是能用硫磺或過氧化物交聯(lián)的橡膠和硫磺或過氧化物的混合物。則本實用新型的電極是在橡膠硫化的過程中將多孔金屬與硫化橡膠進行嵌合得到的。
[0039]所述刷涂米用涂布機進彳丁刷涂。
[0040]所述涂布機包括機架，設置于機架上的刮刀，涂布輥輪，背輥輪以及漿料容納器；其中，涂布輥輪和背輥輪同排平行設置且同向移動，漿料容納器與涂布輥輪連接，刮刀設于涂布輥輪上方，與涂布輥輪表面留有間隙；基材繞背輥輪運行。該涂布機可以市購得到，例如TB-800型硅油涂布機。
[0041]涂布過程中，通過調(diào)整刮刀與涂布輥輪的間隙，調(diào)節(jié)漿料從漿料容納器運送到涂布輥輪的量。
[0042]涂布過程中，涂布輥輪的轉(zhuǎn)速是10?120m/min，背輥輪轉(zhuǎn)速是10?120m/min。
[0043](2)將表面平整的多孔電極層裁切成目標尺寸，并粘接電極引線。
[0044]優(yōu)選對多孔電極層進行壓平處理使其厚度達到目標厚度，并使其表面平整；所述壓平處理采用對輥機進行。
[0045]所述多孔電極層達到的目標尺寸等于或者略小于成型后的聚合物層的尺寸。當聚合物層包覆多孔電極層時，多孔電極層的尺寸小于聚合物層的尺寸，其中聚合物層的尺寸和摩擦發(fā)電機的尺寸一樣。例如，當所要求得到的摩擦發(fā)電機尺寸為6.3cmX4.3cm時，聚合物層的尺寸可以是6.3cmX4.3cm，而多孔電極層的尺寸可以是6.3cmX4.3cm，也可以略小于 6.3cmX4.3cm0
[0046]所述多孔電極達到的目標厚度為250?300 μ m。
[0047](3)將多孔電極層貼合在聚合物層表面，并進行固化處理。
[0048]其中，所述固化是對涂有聚合物層的模板進行加熱處理，一般是在烘箱中進行；根據(jù)選擇的高分子材料類型和固化劑類型，應當選擇適當?shù)墓袒瘻囟龋话銥?0?120°C。
[0049](4)從模板表面將聚合物層/電極層復合膜起膜。
[0050]所述起膜采用本領域常規(guī)方法進行。
[0051]進一步地，將步驟(1)中經(jīng)過除氣處理后的刷涂有第一聚合物層的模板放入烘箱中進行固化處理，在貼合多孔電極層之前，在已固化的第一聚合物層表面刷涂第二聚合物層，然后將經(jīng)過步驟(2)處理后的多孔電極層貼合在第二層聚合物層表面，借助聚合物層的粘黏特性，多孔電極層貼附在聚合物層表面，然后放入烘箱固化。
[0052]更進一步地，在進行步驟(4)之前，在固化后的多孔電極層上刷涂第三聚合物層，并進行抽真空除氣處理，使表面的聚合物層滲透進多孔電極層中，然后放入烘箱固化，使兩者嵌合為一體。
[0053]或者，進一步地，將步驟(1)中經(jīng)過除氣處理后的刷涂有第一聚合物層的模板放入溫度為60?120°C的烘箱中1?lOmin進行半固化處理，然后將經(jīng)過步驟(2)處理后的多孔電極層貼合在半固化的聚合物層表面，優(yōu)選放入烘箱固化。
[0054]更進一步地，在進行步驟(4)之前，在固化后的多孔電極層上刷涂第二聚合物層，并進行抽真空除氣處理，使表面的聚合物層滲透進多孔電極層中，然后放入烘箱固化，使兩者嵌合為一體。
[0055]再者，進一步地，將步驟(1)中經(jīng)過除氣處理后的刷涂有第一聚合物層的模板不進行固化處理，直接將經(jīng)過步驟(2)處理后的多孔電極層貼合在第一聚合物層表面，并在空氣中靜置1?lOmin，使底層的聚合物層在毛細現(xiàn)象作用下滲透入多孔電極層中，然后放入烘箱固化，使兩者嵌合為一體。
[0056]在一個【具體實施方式】中，本實用新型的摩擦發(fā)電機電極的制備方法為:
[0057](1)將固化劑溶于聚合物中，攪拌均勻，配成聚合物漿料；
[0058]所述聚合物為PDMS ;所述固化劑為硫化劑，如市購的道康寧184，此時聚合物與固化劑的重量比為5:1?20:1，優(yōu)選10:1 ;固化溫度為60?120。。;
[0059](2)在具有微納凹凸結(jié)構(gòu)的模板表面上刷涂第一聚合物層，抽真空除氣并放入溫度為60?120°C的烘箱中固化；
[0060](3)