一种复合柔性纳米发电机及其制备方法
【技术领域】
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[0001]本发明涉及一种采用由单晶纳米压电材料和高分子压电材料组成的复合压电料制备柔性纳米发电机的技术，其中单晶压电材料是成分位于X(Pb(Mgv3Nb2Z3)O3)-1-X(PbT13)(PMN-PT)准同型相界(x = 0.65)附近的单晶纳米材料，高分子压电材料是聚偏氟乙烯(PVDF)，属功能材料及器件制造技术领域。
【背景技术】
[0002]智能可穿戴设备指的是将智能化的移动设备或者部分功能融合到传统的可穿戴设备中，从而实现可穿戴设备的智能化。在目前的电子产品市场中，可穿戴设备已经成为一个新的热点。随着电子信息技术和市场需求的不断发展，可穿戴式电子设备未来使用的使用规模将会越来越大，成为信息技术及其产品新的增长点。在消费电子领域，智能眼镜、智能手表、智能手环等都得到了异常迅速的发展，并且占领了巨大的市场。目前，可穿戴设备面临的最大难题就是续航时间不够长，这一问题已经成为制约可穿戴式设备的技术瓶颈。由于可穿戴设备无法配备体积较大的供电系统，目前在可穿戴设备的设计中主要通过控制设备的整体功耗来实现可接受的续航时间，但是这种设计思路严重限制了系统的功能和性能。因此，对于可穿戴设备的能源系统研究需要进一步的改进和突破，而能源系统的轻量化和柔性化则是设备可穿戴的必然要求。
[0003]寻求可以把环境中的能量收集并转化为电能的能源技术，使其能够协助或替代电池为电子器件，无线感应系统，医学植入物等设备提供能量，显著提升其续航时间，增强是系统功能和性能，成为一个关键性的技术问题。在不同的能量收集技术中，光伏技术由于其高的能量密度和很大的实际意义受到过广泛关注。但是光伏技术也有很大的缺陷如占用空间大，受到时间限制，并且其能量转化率很低。热电发电机可以通过温度的变换产生能量，但是当温度梯度很小时，产生的能量也非常少。除了太阳能与热能，环境中最常见的能量就是机械能。机械能具有很多种存在形式，如声音，流体流动，压力变化，机械振动，肌肉运动等。使用压电材料，电磁感应线圈，静电电容器可以实现将机械能转化为电能。与其他种类的能量转换设备相比，压电发电机具有构造简单，并且易于小型化，性能稳定的优点，同时在应用环境中具有广泛的振动能量来源。
【发明内容】
[0004]针对上述存在问题或不足，本发明提供了一种复合柔性纳米发电机及其制备方法。
[0005]该复合柔性纳米发电机的基本结构单元为平板电容结构，包括Au上下电极和压电薄膜，Au上下电极分别与压电薄膜的上下底面紧密接触，形成顶电极与底电极;所述压电薄膜为PMN-PT/PVDF-TrFE复合柔性压电材料，Au上下电极用作压电薄膜极化过程中使用的电极和发电机在实际使用过程中向外输出电压、电流的电极。
[0006]本发明采用成分比位于准同型相界MPB的PMN-PT单晶纳米线与压电高分子材料PVDF复合的高电压输出，适合纳米无源器件研发的新型柔性纳米发电机。
[0007]该复合柔性纳米发电机的制备方法，包括以下步骤:
[0008]步骤1、称量原料配料:
[0009]将X(Pb(Mg1/3Nb2/3)03)-(l-x)(PbTi03)单晶纳米材料与粉末状PVDF为原料，按照20wt %yPVDF-( 1-y)PMN-PT，80wt %PVDF的配比称重原料配料，其中0.5〈x〈0.7，0<y<l ；
[0010]步骤2、将步骤I所得配料完全溶解于质量比100%-2000%的N-N 二甲基乙酰胺DMA溶剂中，通过磁力搅拌和超声分散交替作用得到均匀分布的浆料；
[0011]步骤3、将步骤2制得的浆料涂覆到具有光滑表面的水平承载基板上，水平静置使浆料流动均匀，直至浆料完全流平后将承载基板放入到加温装置中，在40_100°C的温度范围内烘干l_12h得到干燥薄膜；
[0012]步骤4、薄膜热压成型:将步骤3得到的干燥薄膜在100_150°C，采用1-1OMPa范围的压力热压l-5h成型；
[0013]步骤5、电极制备:在步骤4制得薄膜的两面制备Au上下电极；
[0014]步骤6、极化:将步骤5制备的薄膜进行极化，极化温度100-150°C，时间为2-5h，极化场强为l_100KV/mm。
[0015]进一步的，纳米发电机采用单独、并联和/或者串联应用。
[0016]本发明中，以PMN-PT单晶纳米线和PVDF粉体为原料，通过调整PMN-PT单晶纳米线与PVDF的质量比，采用类似流延法技术制备出新型复合柔性纳米发电机，热压成型后使器件表面平整，器件的有效面积得到提高;产品具有优异的性能，输出电压可以达到1-10V。通过调节PMN-PT单晶纳米线与PVDF的配比可以有效的优化纳米发电机的输出性能。
[0017]相比于ZnO系列纳米发电机，本发明制备工艺简单，成本低廉，不需要等离子体处理等工序就可以获得高输出的纳米发电机;相比于BTO等系列的陶瓷纳米发电机，本发明所制备的纳米发电机具有高输出电压，并且可实现柔性变形。
[0018]综上所述，本发明具有低成本、高输出的优点，可应用于医学、电子、军工等各个领域。
【附图说明】
[0019]图1为实施例1PMN-PT/PVDF纳米发电机的结构示意图；
[0020]图2为实施例1的输出电流与输出电压测试图；
[0021]图3为实施例2的输出电流与输出电压测试图；
[0022]图4为实施例3的输出电流与输出电压测试图。
【具体实施方式】
[0023]实施例1
[0024]按照10PMN-PT/90PVDF的配比称取PMN-PT单晶纳米线与PVDF粉末，将两种原料溶于20ml的DMA中，通过磁力搅拌与超声分散交替作用4h至溶液混合均勾；将混合均勾的溶液倒入直径1cm的培养皿中水平放置1min使溶液均匀平铺在培养皿中；将溶液保持水平状态下移入烘箱中，60°C烘干12h，使液体完全蒸发;将得到的薄膜从培养皿底部分离在40N的压力下120°C成型2h;使用电子束蒸发在薄膜两端制备电极并将薄膜材料切割成边长Icm的正方形;在710V电压，110°C温度下极化3h，即可得到新型柔性纳米发电机。
[0025]本实例所制作的新型柔性纳米发电机经Aglient4155C测量，其输出电压为1.4V左右，输出电流为I OnA左右，其输出电流与输出电压如图2所示。
[0026]实施例2
[0027]按照20PMN-PT/80PVDF的配比称取PMN-PT单晶纳米线与PVDF粉末，将两种原料溶于20ml DMA中，通过磁力搅拌与超声分散交替作用4h至溶液混合均勾；将混合均勾的溶液倒入直径1cm的培养皿中水平放置1min使溶液均匀平铺在培养皿中；将溶液保持水平状态下移入烘箱中，60°C烘干12h，使液体完全蒸发;将得到的薄膜从培养皿底部分离在40N的压力下120°C成型2h;使用电子束蒸发在薄膜两端制备电极并将薄膜材料切割成边长Icm的正方形;在710V电压，110°C温度下极化3h，即可得到新型柔性纳米发电机。
[0028]本实例所制作的新型柔性纳米发电机经Aglient4155C测量，其输出电压为1V左右，输出电流为30nA左右，其输出电流与输出电压如图3所不。
[0029]实施例3
[0030]按照25PMN-PT/75PVDF的配比称取PMN-PT单晶纳米线与PVDF粉末，将两种原料溶于20ml DMA中，通过磁力搅拌与超声分散交替作用4h至溶液混合均勾；将混合均勾的溶液倒入直径1cm的培养皿中水平放置1min使溶液均匀平铺在培养皿中；将溶液保持水平状态下移入烘箱中，60°C烘干12h，使液体完全蒸发;将得到的薄膜从培养皿底部分离在40N的压力下120°C成型2h;使用电子束蒸发在薄膜两端制备电极并将薄膜材料切割成边长Icm的正方形;在710V电压，110°C温度下极化3h，即可得到新型柔性纳米发电机。
[0031]本实例所制作的新型柔性纳米发电机经Aglient4155C测量，其输出电压为6V左右，输出电流为25nA左右，其输出电流与输出电压如图4所不。
【主权项】
1.一种复合柔性纳米发电机，基本结构单元为平板电容结构，其特征在于:包括Au上下电极和压电薄膜，Au上下电极分别与压电薄膜的上下底面紧密接触，形成顶电极与底电极；所述压电薄膜为PMN-PT/PVDF-TrFE复合柔性压电材料，Au上下电极用作压电薄膜极化过程中使用的电极和发电机在实际使用过程中向外输出电压、电流的电极。2.如权利要求1所述复合柔性纳米发电机的制备方法，包括以下步骤: 步骤1、称量原料配料: 将x(Pb(Mg1/3Nb2/3)03)-(l-x)(PbTi03)单晶纳米材料与粉末状PVDF为原料，按照20wt%7卩￥0?-(11)?]\^-?1'，8(^七％?￥0?的配比称重原料配料，其中0.5〈1〈0.7，0〈7〈1; 步骤2、将步骤I所得配料完全溶解于质量比100% -2000 %的N-N二甲基乙酰胺DMA溶剂中，通过磁力搅拌和超声分散交替作用得到均匀分布的浆料； 步骤3、将步骤2制得的浆料涂覆到具有光滑表面的水平承载基板上，水平静置使浆料流动均匀，直至浆料完全流平后将承载基板放入到加温装置中，在40-100°C的温度范围内烘干l_12h得到干燥薄膜； 步骤4、薄膜热压成型:将步骤3得到的干燥薄膜在100-150°C，采用1-1OMPa范围的压力热压l-5h成型； 步骤5、电极制备:在步骤4制得薄膜的两面制备Au上下电极； 步骤6、极化:将步骤5制备的薄膜进行极化，极化温度100-150°C，时间为2-5h，极化场强为 l-100KV/mm。3.如权利要求1所述复合柔性纳米发电机的应用方法:单独、并联和/或串联使用。
【专利摘要】本发明属功能材料及器件制造技术领域，具体涉及一种PMN-PT/PVDF复合柔性纳米发电机。本发明通过采用成分位于准同型相界(MPB)的PMN-PT单晶纳米线与高分子压电材料PVDF为原料，调整PMN-PT单晶纳米线与PVDF的配比，采用类似流延法的薄膜成型方法，制备PMN-PT/PVDF复合柔性纳米发电机。本发明方法制备的柔性纳米发电机可用于收集机械振动能量，为纳米器件或纳米系统提供能源，开发纳米无源器件。同时，本发明PMN-PT/PVDF纳米发电机制备工艺简单，性能优越，原料造价低廉，生产成本低，应用范围广。
【IPC分类】H01L41/113, H01L41/193, H01L41/22, H01L41/18
【公开号】CN105529397
【申请号】CN201610027738
【发明人】罗文博, 何恺, 徐东, 白晓园, 帅垚, 吴传贵, 张万里
【申请人】电子科技大学
【公开日】2016年4月27日
【申请日】2016年1月15日