一种柔性压电能量收集器及其制作方法
【专利摘要】本发明提供一种柔性压电能量收集器及其制作方法。该能量收集器件主要包括平行的柔性铜电极，静电纺P（VDF?TrFE）纳米纤维以及封装的聚二甲基硅氧烷外壳。该器件的制备方法主要包括如下三方面：1）利用湿法刻蚀的方法在覆铜聚酰亚胺薄膜上制备平行等间隔的铜电极；2）结合高速转盘收集和平行电极法在柔性电极表面收集有序的P（VDF?TrFE）纳米纤维；3）将电极和纤维一起取下，用铜胶带引出正负电极后用二甲基硅氧烷进行封装成器件。该器件在周期性外力的作用下可以产生2V的峰峰电压值和120nA的电流值。本发明提供的能量回收器件结构简单，能够收集外界环境和人体运动过程中浪费的机械能，在未来柔性可穿戴设备领域具有广阔的应用前景。
【专利说明】一种柔性压电能量收集器及其制作方法
[0001]
技术领域
[0002]本发明涉及压电器件技术，尤其涉及一种柔性压电能量收集器件及其制作方法。
【背景技术】
[0003]经过几十年的发展，电子设备逐渐向微型化，便携性以及柔性发展，除可充电锂电池外的新型供能设备的研究对现在和未来发展独立的设备和系统具有重要的意义。一个理想的电源首先能够满足各种便携设备的能量需求，同时不需要频繁的充电及更换。最近在纳米材料领域已经有相当多关于从环境中获取能量用于自发电系统的研究，其中基于纳米压电材料收集机械能的纳米能量收集器件引起了广泛的关注。首先具有高压电常数的无机纳米材料，如Zn0，PZT，KNN，BaTi03等纳米材料最先被研究制备成纳米能量回收器件，但是有两个瓶颈因素制约了他们在纳米能量回收中的使用，首先需要高温来使得材料结晶成形，其次是无机纳米材料太脆，不能承受大的形变。和无机压电材料相比，有机铁电共聚物PVDF及其共聚物具有更好的柔韧性，透明度，可塑性及易加工性的优良特性使他们能作为能量回收器件的材料，应用于可穿戴或者植入设备里。目前人们成功在不同基底上利用匀胶法，涂覆法等制备了 PVDF，P (VDF-TrFE)压电薄膜用于能量回收器件，但是通过这些方法制备的PVDF薄膜为了使其能表现出优异的压电性能，需要进行机械拉伸后在很高的电场下对极化。这些要求限制了 PVDF及其共聚物在纳米能量回收器件中的应用。而静电纺丝法是目前制备一维材料的重要方法，研究表明，在电纺过程中，高压直流电源提供的电场力使得射流拉伸分裂，PVDF及P(VDF-TrFE)偶极子在强电场中有序排列，这使得他们不需要后续的极化就可以获得良好的压电性能，同时的研究表明，有序取向的P(VDF-TrFE)具有更高的β含量。虽然目前关于P(VDF-TrFE)静电纺丝制备能量回收器的报道很多，当时目前还存在一些问题需要解决。首先，目前静电纺丝都是直接纺在铝箔或者铜箔上面，使用时需要将他们转移，这个过程容易损坏纤维膜，当纤维膜直接作为能量回收器件，外界低频的压力不足以使得纤维发生大的形变，降低能量回收器件的压电转换效率。
【发明内容】
[0004]本发明所要解决的技术问题是提供一种柔性压电能量收集器及其制作方法。
[0005]一种柔性压电能量收集器，包括多个柔性平行铜电极、P(VDF-TrFE)纳米纤维和包覆在外围的PDMS，所述的平行的铜电极的两端用铜胶带将电极引出，所述P(VDF-TrFE)纳米纤维垂直于铜电极表面排列，所述PDMS将整个器件包覆住起着保护作用。
[0006]所述铜电极在聚酰亚胺薄膜上，铜电极的厚度为50-100um，所述的铜电极的个数为20-60个，间距为100-200um，宽度为30-100um。两端电极作为正负引出电极，宽度为1000-5000umo
[0007]P(VDF-TrFE)纳米纤维的直径在50nm-500nm。大部分纳米纤维与水平间的夹角在20°范围以内。
[0008]上述柔性压电能量收集器的制备方法如下:
本发明所采用的方法为转动平行电极静电纺丝的方法，以P (VDF-TrFE )(偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物)为原料，N，N二甲基甲酰胺和丙酮的混合溶液为溶剂，制备新型柔性压电能量收集器。
[0009](一)在覆铜聚酰亚胺薄膜上利用光刻的办法制备一层光刻胶保护层，在FeCl3溶液中腐蚀掉未被保护的Cu，后用酒精和丙酮多次清洗去除掉电极表面的光刻胶，就得到了平行电极；
(二)采用的电纺溶液为20wt°/c^P(VDF-TrFE)溶液，以偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物为原料，溶剂为DMF和丙酮的混合液(其中丙酮的体积含量为10% — 40%之间)，用胶带将平行电极固定在转盘侧面，用铜胶带使平行电极接地，给料速度为0.3 ml/L，静电纺丝电压为15kV；
(三)取下电纺后的纳米纤维和电极，用剪刀将电极的连接处给裁剪掉，在平行电极的两端用铜胶带将电极引出，最后用PDMS把整个器件封装起来。
[0010]所述的新型柔性压电能量收集器的微观结构如附图4所示，利用该方法得到的纳米纤维尺寸均一，具有良好的有序性。
[0011]所述的新型柔性压电能量收集器的性能测试结果如附图5所示，在周期性外力作用下，该能量收集器具有灵敏的响应能力，可以产生2V的峰峰电压值和120nA峰峰电流值。
[0012]本发明方法将压电纳米纤维直接电纺到柔性的平行电极上，一方面可以利用静电纺丝过程将P(VDF-TrFE)纳米纤维极化，同时转动平行电极法收集有序纳米纤维可以有效提高P (VDF-TrFE)中β相的含量。利用具有一定高度的平行电极作为基底，为P (VDF-TrFE)的形变提高空间。这些优化了能量收集器的结构和制作工艺，使得能量收集器具有更好的压电转化效率。
【附图说明】
[0013]图1是柔性压电能量收集器示意图。
[0014I图2是平行电极示意图。
[0015]图3是转动平行电极静电纺法的实验装置示意图。
[0016]图4是静电纺丝后P(VDF-TrFE)纳米纤维微观结构图。
[0017]图5是新型柔性压电能量收集器的电学性能测试图。
【具体实施方式】
[0018]本发明提出的一种新型柔性压电能量收集器的制备方法，包括步骤:
1.柔性平行铜电极的制备方法，包括以下子步骤:
I)采用光刻蚀法将电极图案转移到覆铜聚酰亚胺薄膜上，步骤具体为:在洗净的聚酰亚胺薄膜涂上SU8-2050光刻胶，然后把印有平行电极图案的掩膜板盖在基片涂有光刻胶的一面，将样品基片置于紫外光下曝光120秒后，把曝光完毕的基片放进光刻胶显影液中显影40秒，取出用去离子水冲洗干净并吹干后，即得到具有电极图案的基片。
[0019]2)采用腐蚀的办法制作电极，本次步骤的主要步骤为:将样品基片放入lmol/LFeC13溶液中20-30分钟，然后用用溶液洗掉光刻胶，即在聚酰亚胺基底上得到规则的铜电极。电极的间距为150um，高度为50um，宽度为I OOum，得到的电极示意图如图2所示。
[0020]2.有序P(VDF-TrFE)纳米纤维的制备步骤
如图2所示，将I中制备的电极黏贴在转动圆盘(直径20cm)侧面，Cu电极表面用铜导电胶接地。P(VDF-TrFE)溶液的浓度为20%，给料速度为0.3 ml/L.静电纺丝电压为15 kV，固化距离为15 cm。转盘的转速设置为100rpm。电纺时间为30分钟。
[0021 ] 3.新型柔性压电能量收集器的制作
该步骤具体为:取下电纺后的纳米纤维和电极，用剪刀将电极的连接处给裁剪掉。在平行电极的两端用铜胶带将电极引出，最后用PDMS把整个器件封装起来。
[0022]4.新型柔性压电能量收集器的微观形貌表征
如图4所示，我们通过SEM观察静电纺丝后P(VDF-TrFE)纤维的微观结构。如图a，b所示，可以看出纤维的表面是均匀平整，绝大部分的纳米纤维是平搭在电极上的。图c和d是利用转动平行电极制备的铁电共聚物P(VDF-TrFE)纳米纤维的不同放大倍数下SEM图，可以看出该方法制备的纳米纤维具有非常良好的沿平行电极的有序取向性且纤维的直径均一，纳米线平行于电极的垂直方向。我们对纳米线的直径以及分布角度做了统计，如图e和f所示，可以看出电纺的纳米纤维直径的分布范围集中在250-350 nm之间。同时纳米线与水平线之间的夹角大部分主要集中在±10°的区域内，说明我们通过转动平行电极制备的纳米纤维是具有良好取向性的。
[0023]5.新型柔性压电能量收集器的性能测试
该步骤具体为:利用一个机械加载装置周期性敲打器件表面，利用示波器和电化学工作站记录该能量收集器的电学性能。如附图5所示，器件产生了一个峰峰值?2 V的输出电压，?120 nA的输出电流。
[0024]本领域技术人员可以理解，上述本发明各实施例中，实际应用中可根据需要合理设置平行电极中电极的宽度，电极间的距离，电极的高度以及不同的静电纺丝参数，以满足实际工作需要。
【主权项】
1.一种柔性压电能量收集器，包括多个柔性平行铜电极、P(VDF-TrFE)纳米纤维和包覆在外围的PDMS，所述的平行的铜电极的两端用铜胶带将电极引出，所述P(VDF-TrFE)纳米纤维垂直于铜电极表面排列，所述PDMS将整个器件包覆住起着保护作用。2.根据权利要求1所述的能量收集器，其特征在于，所述铜电极在聚酰亚胺薄膜上，铜电极的厚度为50-100um，所述的铜电极的个数为20-60个，间距为100-200um，宽度为30-1OOum03.权利要求1所述的柔性压电能量收集器的制备方法，其特征在于包括如下步骤: (一)在覆铜聚酰亚胺薄膜上利用光刻的办法制备一层光刻胶保护层，在FeCl3溶液中腐蚀掉未被保护的Cu，后用酒精和丙酮多次清洗去除掉电极表面的光刻胶，就得到了平行电极； (二)采用的电纺溶液为20wt%的？ (VDF-TrFE)溶液，以偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物为原料，溶剂为DMF和丙酮的混合液，用胶带将平行电极固定在转盘侧面，用铜胶带使平行电极接地，给料速度为0.3ml/L，静电纺丝电压为15kV; (三)取下电纺后的纳米纤维和电极，用剪刀将电极的连接处给裁剪掉，在平行电极的两端用铜胶带将电极引出，最后用PDMS把整个器件封装起来。4.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于，P(VDF-TrFE)溶液，以偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物为原料，溶剂为DMF和丙酮的混合液，其中丙酮的体积含量为10-40%之间。5.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于:在电纺过程中，固化距离为15cm。6.根据权利要求3所述的制备方法，其特征在于:转盘的转速设置为IOOOrpm。
【文档编号】H01L41/257GK105870316SQ201610344067
【公开日】2016年8月17日
【申请日】2016年5月23日
【发明人】国世上, 游苏健
【申请人】武汉大学