本发明属于摩擦发电技术领域，具体涉及一种柔性可拉伸气囊式摩擦发电管。本发明还涉及一种柔性可拉伸气囊式摩擦发电管的制备方法。
背景技术：
随着各种便携式电子设备及健康监护仪器的快速发展，亟需兼具柔性、可拉伸性、生物兼容性的能量源为上述电子设备供电。生物运动能存在于日常生活的各个领域，因此，将人体运动能量转化为电能的摩擦发电器件受到人们广泛关注。但现有的摩擦发电器件多采用织物结构，不适于方向灵活多变的人体运动能量采集及运动信号传感。摩擦纳米发电管能够采集多方向的人体运动能量及运动信号，研究新型的高灵敏度的摩擦发电管，对于解决各种便携式电子设备的供能问题以及进行运动状态监测、医学健康监测，具有重要的研究意义和使用价值。
技术实现要素：
本发明解决了现有技术的不足，提供了一种能够采集多方向的人体运动能量及运动信号的柔性可拉伸气囊式摩擦发电管。本发明还提供了一种柔性可拉伸气囊式摩擦发电管的制备方法。
本发明为了实现上述目的所采用的技术方案是：
一种柔性可拉伸气囊式摩擦发电管，是由第一摩擦发电单元和第二摩擦发电单元采用同轴嵌套方式构成，且第一摩擦发电单元及第二摩擦发电单元整体利用硅胶密封层封装；所述第一摩擦发电单元由内层管与中间管嵌套而成，第二摩擦发电单元由中间管及外层管嵌套而成，两个摩擦发电单元共用中间管，所述内层管的管芯、内层管与中间管之间的空隙、中间管与外层管之间的空隙内注入气体，形成气囊式结构。本发明在摩擦发电管受到按压、弯曲、扭曲时，第一摩擦发电单元与第二摩擦发电单元的正性摩擦材料与负性摩擦材料形成有效接触-分离运动，通过摩擦生电现象和静电感应现象的耦合，在外电路产生电流，增强摩擦发电输出性能；结构整体利用硅胶材料密封，保护结构不被外部环境污染，提高环境适应性。
优选的，内层管直径小于中间管，中间管直径小于外层管，且内层管能够嵌套入中间管，中间管能够嵌套入外层管。
优选的，所述内层管为可拉伸空心内层管，中间管为可拉伸空心中间管，外层管为可拉伸空心外层管。
进一步地，所述内层管由内层管硅胶层及作为第一摩擦发电单元的正性摩擦材料及内电极的内层管导电硅胶层组成。
进一步地，所述中间管由与内层管相邻作为第一摩擦发电单元的负性摩擦材料的中间管内侧硅胶层、作为第一摩擦发电单元与第二摩擦发电单元的共用感应电极的中间管导电硅胶层及与外层管相邻作为第二摩擦发电单元的负性摩擦材料的中间管外侧硅胶层组成。
进一步地，外层管由作为第二摩擦发电单元的正性摩擦材料以及外电极的外层管导电硅胶层组成。
一种柔性可拉伸气囊式摩擦发电管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：准备热缩管,旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，拉伸并抽离热缩管，制备内层管硅胶层；
步骤2：将导电硅胶混合物旋涂于内层管硅胶层的外表面，待导电硅胶混合物固化，制备作为第一摩擦发电单元的正性摩擦材料与内电极的内层管导电硅胶层，内层管硅胶层与内层管导电硅胶层共同构成内层管；
步骤3：准备热缩管,旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，拉伸并抽离热缩管，制备与内层管相邻作为第一摩擦发电单元负性摩擦材料的中间管内侧硅胶层；
步骤4：将导电硅胶混合物旋涂于中间管内侧硅胶层的外表面，待导电硅胶混合物固化，制备作为第一摩擦发电单元感应电极的中间管导电硅胶层，同时也为第二摩擦发电单元的感应电极；
步骤5：将硅胶混合物旋涂于导电硅胶层的外表面，待硅胶混合物固化，制备与外层管相邻作为第二摩擦发电单元的负性摩擦材料的中间管外侧硅胶层，中间管内侧硅胶层、中间管导电硅胶层及中间管外侧硅胶层共同构成中间管；
步骤6：准备热缩管,旋涂导电硅胶混合物，待导电硅胶混合物固化，拉伸并抽离热缩管，制备外层管导电硅胶层，也是第二摩擦发电单元的正性摩擦材料及外电极；
步骤7：将内层管嵌套入中间管，再嵌套入外层管，形成空心同轴结构；
步骤8：内层管的管芯、内层管与中间管的空隙、中间管与外层管的空隙内注入气体形成气囊；
步骤9：利用硅胶混合物将结构整体封装，构成硅胶密封层。
优选的，所述内层管硅胶层、内层管导电硅胶层、中间管内侧硅胶层、中间管导电硅胶层、中间管外侧硅胶层、外层管导电硅胶层、硅胶密封层均是由具有柔韧性与可拉伸性的硅胶材料及导电硅胶材料组成，制备的摩擦发电管具有柔性与可拉伸特性，可以集成于衣服的不同部位。
优选的，所述硅胶混合物由室温硫化硅胶制备或采用pdms等聚合物材料制备。
优选的，所述导电硅胶混合物由聚合物材料与金属系导电填料颗粒或碳系导电填料颗粒混合制备。
本发明可以有效与衣物集成，将身体运动能量转化为电能，为各种便携式电子设备供电；在不同的弯曲角度、扭曲角度下会有不同的电信号输出，为此可以传感弯曲、扭曲角度，为运动状态监测、医学健康监测提供指导作用。本发明整体利用硅胶材料密封，保护结构不被外部环境污染，提高环境适应性，在结构的空隙中注入气体形成气囊，提高器件灵敏度。本发明具有良好的柔韧性、拉伸性、生物兼容性，可以集成于衣物、人体不同部位，采集与轴向垂直的不同方向的按压、弯曲及扭曲等人体运动能量，解决便携式电子设备的供能问题，并可以传感不同的弯曲、扭曲角度，实现运动状态监测及健康监护功能。
附图说明
现在参考附图对本发明作进一步描述，其中：
图1为本发明截面示意图；
图2为本发明侧面结构示意图；
图3为内层管截面示意图；
图4为中间管截面示意图；
图5为外层管截面示意图；
图6为硅胶密封层截面示意图；
附图标记说明：1、内层管，11、内层管硅胶层，12、内层管导电硅胶层，2、中间管，21、中间管内侧硅胶层，22、中间管导电硅胶层，23、中间管外侧硅胶层；3、外层管，4、内层管的管芯，5、内层管与中间管的空隙，6、中间管与外层管的空隙，7、硅胶密封层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然所描述的实施例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。
如图1至6所示，一种柔性可拉伸气囊式摩擦发电管，是由第一摩擦发电单元和第二摩擦发电单元采用同轴嵌套方式构成，且第一摩擦发电单元及第二摩擦发电单元整体利用硅胶密封层7封装；所述第一摩擦发电单元由内层管1与中间管2嵌套而成，第二摩擦发电单元由中间管2及外层管3嵌套而成，两个摩擦发电单元共用中间管2，所述内层管的管芯4、内层管与中间管的空隙5、中间管与外层管的空隙6内注入气体，形成气囊式结构。本发明在摩擦发电管受到按压、弯曲、扭曲时，第一摩擦发电单元与第二摩擦发电单元的正性摩擦材料与负性摩擦材料形成有效接触-分离运动，通过摩擦生电现象和静电感应现象的耦合，在外电路产生电流，增强摩擦发电输出性能；结构整体利用硅胶材料密封，保护结构不被外部环境污染，提高环境适应性。
优选的，内层管1直径小于中间管2，中间管2直径小于外层管3，且内层管1能够嵌套入中间管2，中间管2能够嵌套入外层管3。
优选的，所述内层管1为可拉伸空心内层管，中间管2为可拉伸空心中间管，外层管3为可拉伸空心外层管。
进一步地，所述内层管1由内层管硅胶层11及作为第一摩擦发电单元的正性摩擦材料及内电极的内层管导电硅胶层12组成。
进一步地，所述中间管2由与内层管1相邻作为第一摩擦发电单元的负性摩擦材料的中间管内侧硅胶层21、作为第一摩擦发电单元与第二摩擦发电单元的共用感应电极的中间管导电硅胶层22及与外层管3相邻作为第二摩擦发电单元的负性摩擦材料的中间管外侧硅胶层23组成。
进一步地，外层管3由作为第二摩擦发电单元的正性摩擦材料以及外电极的外层管导电硅胶层组成。
一种柔性可拉伸气囊式摩擦发电管的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：准备热缩管,旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，拉伸并抽离热缩管，制备内层管硅胶层11；
步骤2：将导电硅胶混合物旋涂于内层管硅胶层11的外表面，待导电硅胶混合物固化，制备作为第一摩擦发电单元的正性摩擦材料与内电极的内层管导电硅胶层12，内层管硅胶层11与内层管导电硅胶层12共同构成内层管1；
步骤3：准备热缩管,旋涂硅胶混合物，待硅胶混合物固化，拉伸并抽离热缩管，制备与内层管1相邻作为第一摩擦发电单元负性摩擦材料的中间管内侧硅胶层21；
步骤4：将导电硅胶混合物旋涂于中间管内侧硅胶层21的外表面，待导电硅胶混合物固化，制备作为第一摩擦发电单元感应电极的中间管导电硅胶层22，同时也为第二摩擦发电单元的感应电极；
步骤5：将硅胶混合物旋涂于导电硅胶层22的外表面，待硅胶混合物固化，制备与外层管3相邻作为第二摩擦发电单元的负性摩擦材料的中间管外侧硅胶层23，中间管内侧硅胶层21、中间管导电硅胶层22及中间管外侧硅胶层23共同构成中间管2；
步骤6：准备热缩管,旋涂导电硅胶混合物，待导电硅胶混合物固化，拉伸并抽离热缩管，制备外层管导电硅胶层3，也是第二摩擦发电单元的正性摩擦材料及外电极；
步骤7：将内层管1嵌套入中间管2，再嵌套入外层管3，形成空心同轴结构；
步骤8：内层管的管芯4、内层管与中间管的空隙5、中间管与外层管的空隙6内注入气体形成气囊；
步骤9：利用硅胶混合物将结构整体封装，构成硅胶密封层7。
上述步骤2、4的两个电极间接入外部负载电阻，构成第一摩擦发电单元的外部负载电路。
上述步骤4、6的两个电极间接入外部负载电阻，构成第二摩擦发电单元的外部负载电路。
步骤1、3、6所采用的热缩管在拉伸变长的过程中，直径能够变小，从而能够在硅胶混合物、导电硅胶混合物固化后抽离。
优选的，所述内层管硅胶层11、内层管导电硅胶层12、中间管内侧硅胶层21、中间管导电硅胶层22、中间管外侧硅胶层23、外层管导电硅胶层、硅胶密封层均是由具有柔韧性与可拉伸性的硅胶材料及导电硅胶材料组成，制备的摩擦发电管具有柔性与可拉伸特性，可以集成于衣服的不同部位。
优选的，所述硅胶混合物由室温硫化硅胶制备或采用pdms等聚合物材料制备。
优选的，所述导电硅胶混合物由聚合物材料与金属系导电填料颗粒或碳系导电填料颗粒混合制备，制备的导电硅胶混合物需具有良好的导电性，且与硅胶材料具有良好的粘结性。
以上所揭露的仅为本发明的优选实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等同变化，仍属本发明所涵盖的范围。应当理解，以上的描述意图在于说明而非限制。例如，上述实施例(和/或其方面)可以彼此组合使用。此外，根据本发明的启示可以做出很多改型以适于具体的情形或材料而没有偏离本发明的范围。通过阅读上述描述，权利要求的范围和精神内的很多其它的实施例和改型对本领域技术人员是显而易见的。