[发明专利]摩擦纳米发电机及制备方法、自供能传感系统及关节角度检测方法

说明书

本发明提供了一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，包括第一基底层、摩擦单元的第一摩擦发电部件，若干摩擦单元以第一基底层的几何中心为圆心间隔排列；包括第二基底层、第一电极、第二电极的第二摩擦发电部件，若干第一电极和若干第二电极以第二基底层的几何中心为圆心相互间隔设置，且第一电极与第二电极之间设有间隙；第一基底层和第二基底层通过彼此设有的凸缘和凹槽插装在一起，使摩擦单元与第一电极和第二电极相互接触摩擦。本发明还提供了一种自供能传感系统、关节转动角度的检测方法和4D打印摩擦纳米发电机的制备方法。本发明在解决了传感装置的制备流程复杂，制备效率和精度低且制作的传感装置的使用寿命短的技术问题。

技术领域

本发明涉及4D打印技术、传感技术和自供能系统相结合的交叉技术领域，更具体地，涉及一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机、自供能传感系统、基于所述自供能传感系统的关节转动角度的检测方法以及所述基于4D打印技术的摩擦纳米发电机的制备方法。

背景技术

随着物联网时代的到来，大量的便携式电子设备得以应用，这些电子设备的供电方式普遍选择使用电池进行供电。但使用电池供电需要进行频繁充电或更换电池，同时废弃的电池还会带来严重的环境污染。因此，迫切需要一种不需要外部电源供电即可实现检测的自供能传感技术。为了解决这一问题，基于摩擦纳米发电机的自供能传感系统得到了广泛的关注。

然而，在实现普遍应用的道路上，基于摩擦纳米发电机的自供能传感系统仍然存在一些问题。首先，当器件长期工作时，器件性能会出现衰减，从而导致检测结果出现错误。其次，基于摩擦纳米发电机的自供能传感器的制备工艺相对落后。最后，传统的制备工艺通过对各组件的加工、组装，并最终装配成一个完整的器件；然而这样的工艺很难保证同一批器件的性能，并最终影响检测效果。

专利文献CN111564985A(公开日2020年08月21日)公开了一种传感式摩擦纳米发电机、轮胎的传感装置及力监测系统，其中通过对摩擦纳米发电机的结构进行设计，将各个基底层、电极层以及摩擦层依次粘贴在柔性基底层内壁，从而得到一个相对封闭的摩擦纳米发电机；摩擦层在预紧力的作用下相互接触；当基底层的两侧受到相反的作用力时，摩擦层相互远离，从而产生一个与形变量有关的电信号；根据电信号的特征即可判断摩擦纳米发电机的形变特征，从而使该发明的传感式摩擦纳米发电机具备感应功能。但其制备流程复杂，制备效率和制备精度不高，且制作出的传感装置的使用寿命不尽如人意。

为了推动基于摩擦纳米发电机的传感装置应用与发展，迫切需要一种全新的工艺，以提高传感装置的制备效率、制备精度，并同时提高传感装置的使用寿命。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决传感装置的制备流程复杂，制备效率和制备精度不高，且制作出的传感装置的使用寿命不尽如人意的技术问题。

本发明的首要目的是提供一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机。为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

一种基于4D打印技术的摩擦纳米发电机，包括可相对转动的第一摩擦发电部件和第二摩擦发电部件；所述第一摩擦发电部件包括第一基底层、设置在第一基底层表面的的摩擦单元，所述若干摩擦单元以第一基底层的中心为圆心间隔排列；所述第二摩擦发电部件包括第二基底层、设置在第二基底层内表面的第一电极、第二电极，若干第一电极和若干第二电极以第二基底层的几何中心为圆心相互间隔设置，且第一电极与第二电极之间设有间隙；第一基底层和第二基底层通过彼此设有的凸缘和凹槽插装在一起，从而使摩擦单元与第一电极和第二电极能相互转动及接触摩擦；其中第一摩擦发电部件和第二基底层采用4D打印技术制备而成。

优选地，所述4D打印采用形状记忆聚合物或自修复材料，采用熔融沉积式打印、油墨直写打印或数字光处理打印。

优选地，所述摩擦单元表面具有凸起或凹槽。

优选地，在所述第二基底层的表面喷涂具有导电物质的溶液并将溶剂挥发后得到所述第一电极和第二电极，所述导电物质包括银纳米线、碳纳米管或石墨烯。