一种复合结构机电换能材料的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于功能材料技术领域，涉及一种能够实现机械能和电能相互转换的复合结构机电换能材料的制备方法。
【背景技术】
[0002]换能器是一种能量转换器件，能够将一种形式的能量转化成另一种形式的能量。这些能量形式包括(但不限于)电能、机械能、电磁能(包含光能)、化学能、声能和热能。而在换能器中，起关键作用的即是换能材料。目前，在环境振动能量采集器和生物动能能量采集器中广泛应用的换能材料是压电材料(包括压电陶瓷和铁电聚合物)。压电材料是一种机电换能材料，能够实现机械能和电能之间的转换。
[0003]压电材料又可以分为无机压电材料、有机压电材料及复合压电材料，其可以实现机械能和电能之间的转换，其工作原理为:如果对压电材料施加压力，它便会产生电位差(称之为正压电效应)，反之施加电压，则产生机械应力(称为逆压电效应)，也就是说压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到了广泛的应用，现已广泛地应用于各种声电传感器、力学传感器、振动能量采集等领域。
[0004]目前，用于制备机电换能材料的方法有很多，申请号为200810067783.X的中国发明专利公布了一种压电复合材料及其制备方法，该压电复合材料包括填充物和至少两层压电材料，根据各层压电材料的极性，相邻层压电材料反向设置，各层压电材料三维连通设置，所述填充物一维连通装置；在所述压电复合材料的各工作面，分别设置工作面电极，在平行于所述压电复合材料工作面的截面中，所述压电材料以规则条形组合的形式连通设置，所述填充物隔离设置。
[0005]然而，现有的用于制备换能材料的方法往往步骤较为复杂，工艺条件控制较为繁琐，而且方法局限性较大，不能满足多样化工况需求，这会直接限制换能材料的推广使用。
【发明内容】
[0006]本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种步骤简单，操作方便，能够获得优异机电耦合性能的用于制备复合结构机电换能材料的方法。
[0007]本发明的目的可以通过以下技术方案来实现:
[0008]一种用于制备复合结构机电换能材料的方法，该方法是将聚合物通过热塑工艺、浇注工艺或压印工艺制成波浪形聚合物膜，然后将导电电极覆盖在波浪形聚合物膜的一个表面上，并向波浪形聚合物膜未覆盖导电电极的自由面进行充电，再将波浪形聚合物膜充电后的自由面的突出部分与导电膜粘合在一起，即制成所述的复合结构机电换能材料。
[0009]其中，所述的热塑工艺、浇注工艺、压印工艺均为公知现有技术。
[0010]一种用于制备复合结构机电换能材料的方法，其特征在于，具体包括以下步骤:
[0011](I)将聚合物通过热塑工艺、浇注工艺或压印工艺制成波浪形聚合物膜；
[0012](2)将导电电极覆盖在步骤(I)制得的波浪形聚合物膜的一个表面上；
[0013](3)向步骤⑵中波浪形聚合物膜未覆盖导电电极的自由面进行充电；
[0014](4)将步骤(3)中波浪形聚合物膜充电后的自由面的突出部分与导电膜粘合在一起，即制得所述的复合结构机电换能材料。
[0015]一种用于制备复合结构机电换能材料的方法，其特征在于，具体包括以下步骤:
[0016](A)将聚合物通过热塑工艺、浇注工艺或压印工艺制成波浪形聚合物膜；
[0017](B)对步骤㈧制得的波浪形聚合物膜进行充电；
[0018](C)待步骤(B)充电结束后，将导电电极覆盖在带有电荷的波浪形聚合物膜未充电的表面上；
[0019](D)将步骤(C)中波浪形聚合物膜充电后的自由面的突出部分与导电膜粘合在一起，即制得所述的复合结构机电换能材料。
[0020]一种用于制备复合结构机电换能材料的方法，其特征在于，具体包括以下步骤:
[0021](a)将聚合物通过热塑工艺、浇注工艺或压印工艺制成波浪形聚合物膜；
[0022](b)将导电电极覆盖在步骤(a)制得的波浪形聚合物膜的一个表面上；
[0023](c)将步骤(b)中波浪形聚合物膜未覆盖导电电极的自由面上的突出部分与导电膜粘合在一起，制得复合结构膜；
[0024](d)向步骤(C)制得的复合结构膜的两个电极施加直流偏压进行充电，即制得所述的复合结构机电换能材料。
[0025]所述的聚合物包括聚四氟乙烯(PTFE)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)、环烯烃聚合物、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)中的一种。
[0026]所述的导电电极材料包括铝、金、银、石墨或石墨烯中的一种。
[0027]所述的导电电极的覆盖方法包括真空蒸镀、丝网印刷、磁控溅射或导电胶带粘合中的一种。
[0028]所述的波浪形聚合物膜未覆盖导电电极的自由面的突出部分涂覆胶黏剂或设置双面粘性胶带，并且所述的波浪形聚合物膜未覆盖导电电极的自由面通过胶黏剂或双面粘性胶带与导电膜粘合在一起。
[0029]所述的导电膜包括铝箔、铜箔、铝板、铜板、不锈钢板、导电聚合物膜或导电复合膜中的一种。
[0030]所述的充电的方法为电晕极化法、接触充电法、离子注入法或电子束注入法中的一种。
[0031]采用本发明制备所得的成品复合结构机电换能材料，具有部分压电材料的性能，能够实现机械能和电能之间的转换，可应用于智能服装、环境振动能量采集器、生物动能能量采集器、声电传感器、机器人肌肤、智能结构等领域。
[0032]与现有技术相比，本发明具有以下特点:
[0033]I)本发明制备方法简单，同时制得的复合结构机电换能材料具有优异的机电耦合性能；
[0034]2)本发明制得的复合结构机电换能材料整体厚度较小，可以应用于智能服装、环境振动能量采集器、生物动能能量采集器、声电传感器、机器人肌肤、智能结构等领域；
[0035]3)本发明可以将廉价的原材料转变成具有高附加值的机电换能材料。
【附图说明】
[0036]图1为实施例1制备所得基于FEP膜的复合结构机电换能材料的结构示意图；
[0037]图2为实施例1制备所得基于FEP膜的复合结构机电换能材料的电荷分布示意图；
[0038]附图标记说明:
[0039]I 一导电膜、2—波浪形聚合物膜、3—导电电极。
【具体实施方式】
[0040]下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0041]实施例1:
[0042]如图1-2所示，本实施例制备基于FEP膜的复合结构机电换能材料，具体包括以下步骤:
[0043](I)首先将刻有沟槽的铜质模板放置在热压机的金属板上，然后在模板上依次放置12.5um厚的FEP薄膜和厚度为Imm的橡胶垫，在100°C和2MPa的压力下热压5min，然后在20°C和2MPa下冷压lOmin，从模板上取出FEP膜，制得FEP波浪形聚合物膜2 ；
[0044](2)在FEP波浪形聚合物膜2 —面通过真空蒸镀工艺覆盖10nm厚的导电电极3 ；
[0045](3)采用电晕极化法对FEP波浪形聚合物膜2未覆盖导电电极3的自由面进行电晕充电，控制电晕电压为-10kV，充电时间为60s ；
[0046](4)在未覆盖导电电极3的自由面的波浪突出部分设置双面粘性胶带，并通过双面粘性胶带将FEP波浪形聚合物膜2与厚度为0.4mm的导电膜I粘合在一起，即制得基于FEP膜的复合结构机电换能材料。
[0047]本实施例中，导电电极3为铝导电电极，导电膜I为铜板，从制备所得的基于FEP膜的复合结构机电换能材料上，裁剪出直径为20mm的圆形样品，当在样品上施加0.5N的作用力时，静电表检测到的电极上感应电荷量的变化值为4465pC。
[0048]实施例2:
[0049]本实施例制备基于FEP膜的复合结构机电换能材料，具体包括以下步骤:
[0050](I)首先将刻有直径为2_圆形贯通孔洞的不锈钢模板放置在带有真空系统的热塑机面板上，然后在模板上放置12.5um厚的FEP薄膜，打开真空和远红外加热系统，控制FEP膜的温度在200°C，热塑时间为2s，从模板上取出FEP膜，得到带有凸起结构的FEP波浪形聚合物膜2 ;
[0051](2)在FEP波浪形聚合物膜2含有凹陷结构的一面，通过真空蒸镀工艺覆盖10nm厚的导电电极；
[0052](3)采用电晕极化法对FEP波浪形聚合物膜2未覆盖导电电极的自由面进行电晕充电，控制电晕电压为-10kV，充电时间为60s ；
[0053](4)在未覆盖导电电极的自由面的波浪突出部设置双面粘性胶带，并通过双面粘性胶带将FEP波浪形聚合物膜2与厚度为0.4mm的导电膜粘合在一起，即制得基于FEP膜的复合结构机电换能材料。
[0054]本实施例中，导电电极3为铝导电电极，导电膜I为铜板，从制备所得的基于FEP膜的复合结构机电换能材料上，裁剪出直径为20mm的圆形样品，当在样品上施加0.5N的作用力时，静电表检测到的电极上感应电荷量的变化值为835pC。
[0055]实施例3:
[0056]本实施例制备基于PTFE膜的复合结构机电换能材料，具体包括以下步骤:
[0057](A)将PTFE聚合物通过浇注工艺制成PTFE波浪形聚合物膜2 ；
[0058](B)对步骤(A)制得的PTFE波浪形聚合物膜2进行充电；
[0059](C)待步骤(B)充电结束后，采用磁控溅射工艺将导电电极3覆盖在带有电荷的PTFE波浪形聚合