基于各向异性摩擦电纳米发电机的防伪标签、检测装置及系统的制作方法

本申请涉及摩擦电纳米发电机技术领域，特别是涉及一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的防伪标签、检测装置及系统。

背景技术：

摩擦电纳米发电机(triboelectricnanogenerator，teng)是一种能量产生单元，在其内部的电路中，由于摩擦起电效应，两个摩擦电极性不同的摩擦材料薄层之间会发生电荷转移而使得二者之间形成一个电势差；在外部电路中，电子在电势差的驱动下在两个分别粘贴在摩擦材料层背面的电极之间或者电极与地之间流动，从而来平衡这个电势差。其具有体积小，能够将微弱的机械能转化为电能输出的特点。

然而，现有技术中对摩擦电纳米发电机的使用及研究仅集中在能量的角度，例如，对摩擦电纳米发电机输出电能的收集或使用。

技术实现要素：

本申请实施例中提供了一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的防伪标签、检测装置及系统，以利于解决现有技术中存在的技术问题。

第一方面，本申请实施例提供了一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的防伪标签，所述防伪标签包括：

n个感应区域，每个所述感应区域包括一个感应区域摩擦层和一个感应区域电极层，其中，所述感应区域摩擦层为各向异性纳米纤维薄膜材料，n≥1。

在一种可能的实施例中，所述感应区域摩擦层为聚偏氟乙烯纳米纤维膜或尼龙纳米纤维膜。

第二方面，本申请实施例提供了一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的检测装置，所述检测装置包括：

n个检测区域，每个所述检测区域包括一个检测区域摩擦层和一个检测区域电极层，其中，所述检测区域摩擦层为各向异性纳米纤维薄膜材料，n≥1。

在一种可能的实施例中，所述检测区域摩擦层为尼龙纳米纤维膜或聚偏氟乙烯纳米纤维膜。

第三方面，本申请实施例提供了一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的防伪系统，所述防伪系统包括：

第一方面任一项所述的防伪标签和第二方面任一项所述的检测装置，其中，所述n个感应区域和所述n个检测区域一一对应；

所述防伪标签和所述检测装置被配置为：当采用所述检测装置对所述防伪标签进行检测时，所述一一对应的感应区域和检测区域的感应区域摩擦层和检测区域摩擦层相互摩擦，且在所述一一对应的感应区域和检测区域的感应区域电极层和检测区域电极层之间产生电势差；

所述检测装置还用于对所述一一对应的感应区域和检测区域的感应区域电极层和检测区域电极层之间输出的电信号进行检测，获得所述防伪标签的真伪检测结果。

在一种可能的实施例中，n≥2，所述n个感应区域对应的各向异性纳米纤维薄膜材料的纳米纤维按照不同的角度设置；所述n个检测区域对应的各向异性纳米纤维薄膜材料的纳米纤维按照不同的角度设置。

在一种可能的实施例中，所述n个感应区域对应的各向异性纳米纤维薄膜材料的纳米纤维相互平行或相互垂直设置。

在一种可能的实施例中，所述n个感应区域排列为数字图形。

在一种可能的实施例中，n＝7,7个感应区域排列为图形“8”。

在本申请实施例提供的技术方案中，利用各向异性摩擦电纳米发电机的两摩擦层中纳米纤维的相对角度不同输出的的电信号不同，且纳米纤维的排布方向对肉眼不可见的特点，制备防伪系统，实现各向异性摩擦电纳米发电机输出的信号在信息层面的应用。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本申请实施例提供的一种各向异性摩擦电纳米发电机的结构示意图；

图2为本申请实施例提供的一种各向异性纳米纤维薄膜的相对角度与短路电流的对照图；

图3为本申请实施例提供的一种各向异性摩擦电纳米发电机的制造方法流程示意图；

图4为本申请实施例提供的一种静电纺丝系统结构示意图；

图5为本申请实施例提供的一种不同转速的滚筒下制备得到的纳米纤维薄膜的电镜图；

图6为本申请实施例提供的一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的防伪标签的结构示意图；

图7为本申请实施例提供的一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的检测装置的结构示意图；

图8位本申请实施例提供的一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的防伪系统的检测结果示意图；

图中的符号表示为：110-第一摩擦单元，111-第一电极层，112-第一摩擦层，120-第二摩擦单元，121-第二电极层，122-第二摩擦层，401-喷射装置，402-滚筒，403-高压电源，404-推进装置，405-出液孔，610-防伪标签，611-感应区域，710-检测装置，711-检测区域。

具体实施方式

为了使本技术领域的人员更好地理解本申请中的技术方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，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，都应当属于本申请保护的范围。

本申请实施例提供的防伪标签、检测装置及系统依托各向异性摩擦电纳米发电机实现，为了便于本领域的技术人员更好地理解本申请实施例提供的技术方案，以下首先对各向异性摩擦电纳米发电机进行详细介绍。

图1为本申请实施例提供的一种各向异性摩擦电纳米发电机的结构示意图，如图1所示，所述各向异性摩擦电纳米发电机包括第一摩擦单元110和第二摩擦单元120。

其中，所述第一摩擦单元110包括第一摩擦层112和第一电极层111，所述第一摩擦层112为各向异性纳米纤维薄膜材料；所述第二摩擦单元120包括第二摩擦层122和第二电极层121，所述第二摩擦层122为各向异性纳米纤维薄膜材料。所述第一摩擦单元110和所述第二摩擦单元120被配置为：所述第一摩擦单元110和所述第二摩擦单元120可以相对运动，当所述第一摩擦单元110和所述第二摩擦单元120相对运动时，所述第一摩擦层112和所述第二摩擦层122相互摩擦，且在所述第一电极层111和所述第二电极层121之间产生电势差。

以垂直接触-分离模式摩擦电纳米发电机为例进行说明。当外界施加压力时，第一摩擦层112和第二摩擦层122相互摩擦，第一摩擦层112和第二摩擦层122间发生电荷转移，形成摩擦电荷；压力释放后，第一摩擦层112和第二摩擦层122自动分开，由于第一摩擦层112和第二摩擦层122之间存在空隙，第一摩擦层112和第二摩擦层122上的电荷不能完全中和，形成电势差；为了平衡这个电势差，电荷沿外电路沿相反方向流动，形成电流。如此周期性的施加压力，将会持续产生交流电流信号。

可理解，图1所示仅是本申请实施例所列举的一种摩擦电纳米发电机的具体形式，并不应当将其作为本申请保护范围的限制，例如除了图1所示垂直接触-分离模式的摩擦电纳米发电机以外，还可以为水平滑动模式、单电极模式和独立层模式，其均应当处于本申请的保护范围之内。

需要指出的是，在本申请实施例中，所述第一摩擦层112和所述第二摩擦层122均为各向异性纳米纤维薄膜材料，该各向异性纳米纤维材料即有序排列的纳米纤维材料，在其它条件不变的情况下，当第一摩擦层112和第二摩擦层122的纳米纤维相对角度不同时，第一电极层111和第二电极层121之间产生的电信号不同，该电信号可以为电压信号或电流信号。

图2为本申请实施例提供的一种各向异性纳米纤维薄膜的相对角度与短路电流的对照图，如图2所示，在0～90°范围内,当第一摩擦层112和第二摩擦层122的纳米纤维相对角度不同时,第一电极层111和第二电极层121之间输出的短路电流值不同,其中,当第一摩擦层112和第二摩擦层122平行设置时,短路电流最小,当第一摩擦层112和第二摩擦层122垂直设置时,短路电流最大。基于该原理，可以利用所述第一电极层111和所述第二电极层121之间输出的不同电信号表征不同信息，实现各向异性摩擦电纳米发电机在信息层面的应用。

例如，利用向异性纳米纤维薄膜材料的纳米纤维方向对肉眼不可见性，制备防伪材料，利用各向异性摩擦电纳米发电机输出的信号实现信息伪装和加密通讯等应用。

在一种可选实施例中，所述第一摩擦层112为聚偏氟乙烯纳米纤维膜，所述第二摩擦层122为尼龙纳米纤维膜。

在一种可选实施例中，所述第一摩擦层112和所述第二摩擦层122的相对角度可调，所述第一摩擦层112和所述第二摩擦层122的相对角度为所述第一摩擦层112和所述第二摩擦层122中纳米纤维的相对角度。

与上述各向异性摩擦电纳米发电机相对应，本申请实施例还提供了一种各向异性摩擦电纳米发电机的制造方法。图3为本申请实施例提供的一种各向异性摩擦电纳米发电机的制造方法流程示意图，如图3所示，其主要包括以下步骤。

步骤s310：采用静电纺丝方法制备各向异性纳米纤维薄膜材料。

为了便于本领域技术人员更好地理解本技术方案，以下首先对静电纺丝原理进行说明。

静电纺丝是一种特殊的纤维制造工艺，其基本原理为，聚合物溶液或熔体在强电场中通过电荷排斥引起聚合物材料雾化分裂，此时雾化分裂出的物质不是微小液滴，而是聚合物射流，聚合物射流运行一段距离后，最终固化成纤维，完成静电纺丝。本申请实施例提供的各向异性纳米纤维薄膜材料可以采用静电纺丝的方法制备。

图4为本申请实施例提供的一种静电纺丝系统结构示意图，如图4所示，该系统包括喷射装置401和滚筒402，所述滚筒402设置在与喷射装置401的出液孔405相对的位置，所述出液孔405处连接高压电源403，所述滚筒402接地。工作时，喷射装置401内部填充纺丝溶液，随着喷射装置401的推进装置404推进，纺丝溶液在出液孔405处滴出，由于出液孔405处连接有高压电源403，纺丝溶液滴在高压电源403的作用下雾化分裂，形成微小射流，该微小射流射向滚筒402，随着滚筒402的旋转，在滚筒402上固化成纳米纤维，随着纳米纤维的沉积，最终在滚筒402上形成各向异性纳米纤维薄膜材料。

在本申请实施例中，首先需要配制静电纺丝溶液；将所述静电纺丝溶液置于喷射装置中，利用静电纺丝方法在旋转的滚筒表面纺制得到各向异性纳米纤维薄膜材料。

在一种可选实施例中，所述滚筒的表面为铝箔，所述各向异性纳米纤维薄膜材料纺制在所述铝箔的表面。基于该方案，各向异性纳米纤维薄膜可以作为摩擦层，铝箔可以直接作为电极层。

可理解，在本申请实施例中要制备聚偏氟乙烯纳米纤维膜和尼龙纳米纤维膜，则需要分别配制聚偏氟乙烯纳米纤维膜和尼龙纳米纤维膜对应的纺丝溶液。

聚偏氟乙烯纳米纤维膜对应的纺丝溶液制备方法为：将聚偏氟乙烯溶解在丙酮和dmf(二甲基甲酰胺)的混合溶液中，加热至溶解均匀。

尼龙纳米纤维膜对应的纺丝溶液制备方法为：将尼龙溶解在甲酸和乙酸的混合溶液中，在室温下搅拌至溶解均匀。

步骤s320：将所述各向异性纳米纤维薄膜材料作为各向异性摩擦电纳米发电机的第一摩擦层112和第二摩擦层122，组装获得所述各向异性摩擦电纳米发电机。

需要指出的是，纳米纤维薄膜材料各向异性的特性是由于滚筒转动拉伸的结果。将平行于滚筒表面的方向定义为横向，垂直于滚筒表面的方向即滚筒转动的方向定义为纵向，随着滚筒的转动，纳米纤维沿纵向拉伸，而且滚筒转速越快，拉伸效果越明显。

因此，在本申请一种可选实施例中，可以通过调整所述滚筒的转速，调整各向异性纳米纤维薄膜材料中纳米纤维的有序度。

图5为本申请实施例提供的一种不同转速的滚筒下制备得到的纳米纤维薄膜的电镜图，其中，图5(a)对应的滚筒的转速＜图5(b)对应的滚筒的转速＜图5(c)对应的滚筒的转速。如图5所示，随着滚筒的旋转速度的增加，得到的纤维的有序度增加，并且在纵向上拉伸的纤维膜的拉伸强度变得越来越高，表现出明显的各向异性。换句话讲，本申请实施例利用旋转物体对射流的物理牵伸作用以达到控制纤维排列方向的目的。

与上述实施例相对应，本申请还提供了一种各向异性摩擦电纳米发电机的使用方法，所述方法包括：当所述第一摩擦层112和所述第二摩擦层122的相对角度不同时，所述第一电极层111和所述第二电极层121之间输出的电信号不同，利用所述第一电极层111和所述第二电极层121之间输出的不同电信号表征不同信息。

由于各向异性摩擦电纳米发电机中两个摩擦层按照特定角度设定完成后，其输出结果是一定的。若输出结果与预期结果不同，说明摩擦层的相对角度发生变化，且各向异性纳米纤维薄膜材料中纳米纤维的排列方向对人眼是不可见的，因此，可以基于该原理制备防伪标签、检测装置和防伪系统。

本申请实施例提供的基于各向异性摩擦电纳米发电机的防伪系统包括防伪标签和检测装置，可理解，防伪标签可以用于贴在物品上，通过检测装置对防伪标签进行检测，以验证物品的真伪。

图6为本申请实施例提供的一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的防伪标签的结构示意图，如图6所示，所述防伪标签610包括n个感应区域611，每个所述感应区域611包括一个感应区域摩擦层和一个感应区域电极层，其中，所述感应区域摩擦层为各向异性纳米纤维薄膜材料，n≥1。

在图6示出的实施例中，存在7个感应区域611，分别为感应区域a～f，该7个感应区域611排列为数字“8”。需要指出的是，本申请实施例对感应区域的数量、形状以及相对位置关系并不做限制，例如，感应区域的数量可以为3个或5个，感应区域的形状可以为正方形、圆形或不规则形状，多个感应区域可以排列为其它数字或其它任意形状的图案等，本领域技术人员可以根据实际需要进行相应调整，其均应当落入本申请的保护范围之内。

图7为本申请实施例提供的一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的检测装置的结构示意图，如图7所示，所述检测装置710包括n个检测区域711，每个所述检测区域711包括一个检测区域摩擦层和一个检测区域电极层，其中，所述检测区域摩擦层为各向异性纳米纤维薄膜材料，n≥1。

由于检测装置710需要对防伪标签610进行检测，因此，检测装置710中的检测区域711与防伪标签610中的感应区域611一一对应。

在图7示出的实施例中，检测区域711与图6相对应，同样存在7个检测区域711，分别为检测区域a～f，该7个检测区域711排列为数字“8”。需要指出的是，本申请实施例对感应区域611的数量、形状以及相对位置关系并不做限制，本领域技术人员可以根据实际需要进行相应调整，但是其需要满足的条件是检测装置710中的检测区域711与防伪标签610中的感应区域611具有对应关系。

在本申请实施例中，相对应的感应区域611和检测区域711分别相当于各向异性摩擦电纳米发电机的第一摩擦单元和第二摩擦单元。换句话讲，当采用所述检测装置710对所述防伪标签610进行检测时，相对应的感应区域611和检测区域711组成一个各向异性摩擦电纳米发电机，在图6和图7所示的实施例中，由于分别存在7个感应区域611和检测区域711，因此组成7个各向异性摩擦电纳米发电机。

在各向异性摩擦电纳米发电机中，当第一摩擦层和第二摩擦层中纳米纤维的相对角度不同时，第一电极层和第二电极层之间输出的电信号不同。基于该原理，在本申请实施例中，可以通过检测感应区域611和检测区域711的感应区域611电极层和检测区域电极层之间输出的电信号，判断防伪标签610的真伪。因此，本申请实施例中的所述检测装置710还用于对所述一一对应的感应区域611和检测区域711的感应区域611电极层和检测区域电极层之间输出的电信号进行检测，获得所述防伪标签610的真伪检测结果。

图8为本申请实施例提供的一种基于各向异性摩擦电纳米发电机的防伪系统的检测结果示意图，该防伪系统采用图6所示的防伪标签610和7所示的检测装置710，在图6所示的防伪标签610中，感应区域d中的纳米纤维竖直排列，其它感应区域611的纳米纤维水平排列，在图7所示的检测装置710中，检测区域711的纳米纤维均竖直排列，因此，在“d”位置，感应区域611和检测区域711中纳米纤维相互平行，其它位置处，感应区域611和检测区域711中纳米纤维相互垂直，利用高速多功能同步数据采集记录系统进行数据采集，如图8<ⅰ>所示，“d”位置处输出的信号强度明显低于其它位置，检测结果为0。相反，若基于该设计方案，检测结果不为0，说明防伪标签610为伪造标签，进而说明防伪标签610对应的相关物品为伪造物品。

需要指出的是，图6和图7中纳米纤维的相对角度设置关系仅是本申请所列举的一种具体实现方式，本领域技术人员可以根据实际需要进行调整。例如，在图6中，将感应区域c处的纳米纤维设置为竖直方向，其它感应区域611的纳米纤维设置为水平方向，那么检测装置710的输出结果为“6”时，说明防伪标签610为“真”，如图8<ⅱ>所示；将感应区域611e处的纳米纤维设置为竖直方向，其它感应区域611的纳米纤维设置为水平方向，那么检测装置710的输出结果为“9”时，说明防伪标签610为“真”，如图8<ⅲ>所示。

当然，感应区域611和检测区域711中纳米纤维的相对角度除了0°和90°以外还可以为其它角度，例如，30°，60°等，但是当角度分别为0°和90°时，两电极层之间输出的电信号强度差距最大，防伪系统的可靠性更好。

在本申请实施例提供的技术方案中，利用各向异性摩擦电纳米发电机的两摩擦层中纳米纤维的相对角度不同输出的的电信号不同，且纳米纤维的排布方向对肉眼不可见的特点，制备防伪系统，实现各向异性摩擦电纳米发电机输出的信号在信息层面的应用。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本发明的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

本说明书中各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。尤其，对于终端实施例而言，由于其基本相似于方法实施例，所以描述的比较简单，相关之处参见方法实施例中的说明即可。

以上所述的本申请实施方式并不构成对本申请保护范围的限定。

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