一种基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机及其制备方法与流程

本发明属于新能源开发和发电技术领域，具体涉及一种基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机及其制备方法。

背景技术：

随着环境污染和能源危机的不断加剧，发展绿色能源变得越来越迫在眉睫。机械能在我们日常生活中是非常普遍的，将其转化为电能成为缓解能源危机的一个重要途径。

摩擦纳米发电机可以收集多种形式的机械能，比如振动能、生物能等等。其工作原理基于摩擦起电和静电感应的耦合。当两种具有不同摩擦电极性的材料不断相互接触分离或相对滑动时，在外电路中就会持续产生交流电。摩擦纳米发电机由于其成本低廉，制作简单，能量转化效率高等优点，越来越受到研究者的关注。

但是，在现有技术中摩擦纳米发电机的摩擦材料比较固定，多为金属和高分子聚合物，如铝、铜、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)等，摩擦纳米发电机的研究重点也主要集中在纯柔性摩擦材料以及新型结构上。上述摩擦材料使摩擦纳米发电机的应用范围限制在单一的摩擦发电领域，很难与其他领域相互交叉结合，这样必定会限制摩擦纳米发电机的长远发展。铌酸锂材料具有优良的压电效应、电光效应、声光效应、非线性效应及光折变效应，发展基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机对于开发复合型纳米发电机及新型高灵敏传感器具有巨大的应用潜力。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机，用以解决现有的摩擦纳米发电机的摩擦材料相对单一化的问题。所设计的摩擦纳米发电机结构简单，输出电压稳定。

依据本发明的第一方面，提供一种基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机，其包括由第一摩擦材料组成的正极性摩擦层、由第二摩擦材料组成的负极性摩擦层、第一电极、第二电极；其中，所述第一摩擦材料与第一电极相接触，所述第二摩擦材料与第二电极相接触，所述第一摩擦材料与第二摩擦材料之间接触或分离设置，当有交变外力作用在所述摩擦纳米发电机时，第一摩擦材料与第二摩擦材料会发生接触/分离或相对滑动，使第一电极和第二电极之间产生交流电信号；第一摩擦材料为铌酸锂材料。

进一步地，所述的铌酸锂材料可以是同成分铌酸锂，也可以是掺杂铌酸锂，如掺铁铌酸锂、掺镁铌酸锂等。所述的铌酸锂材料可以是铌酸锂单晶薄片，也可以是铌酸锂多晶薄膜。所述第二摩擦材料为柔性高分子聚合物。

进一步地，对应于所述铌酸锂单晶薄片的第一电极是金属电极，对应于所述铌酸锂多晶薄膜的第一电极是高掺硅电极。所述第二电极是金属电极。所述柔性高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷(pdms)。

进一步地，所述的聚合物聚二甲基硅氧烷表面上修饰有微结构，微结构尺寸为5-10微米，深度为10-15微米。

依据本发明的第二方面，提供一种制备基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机的制备方法，其包括步骤如下：

步骤1，制备铌酸锂单晶薄片并与金属电极进行粘合或在高掺硅基底上制备铌酸锂多晶薄膜；

步骤2，制备聚二甲基硅氧烷(pdms)并在其摩擦表面修饰微结构；

步骤3，将所述聚二甲基硅氧烷(pdms)未修饰微结构的一面和金属薄片进行粘合；

步骤4，分别在金属电极和高掺硅电极上引出铜导线；

步骤5，将步骤1中制备的带有电极的铌酸锂材料和将步骤3中制备的带有电极的聚二甲基硅氧烷(pdms)分别固定在可产生相对移动的装置上，所述带有电极的铌酸锂材料和所述pdms具有微结构的表面处于相向位置；

步骤6，可产生相对移动的装置工作时，带动铌酸锂材料和聚二甲基硅氧烷发生接触/分离或相对滑动，使用示波器采集输出电压。

进一步地，铌酸锂单晶薄片为使用内圆切方法对由提拉法制成的铌酸锂柱状晶体进行(006)面切割(c向切割)所得，其厚度约为500纳米-5毫米。铌酸锂多晶薄膜采用激光分子束外延(lmbe)的方法制备而成。薄膜厚度约为100-500纳米，薄膜表面具有不平整度。

进一步地，制备聚二甲基硅氧烷(pdms)微结构的方法是使用黑硅作为母版。

本发明的有益效果为：

本发明提供的基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机使用单晶铌酸锂薄片或激光分子束外延(lmbe)方法制备的铌酸锂薄膜作为新型摩擦材料。铌酸锂材料具有优良的压电效应、电光效应、声光效应、非线性效应及光折变效应，发展基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机可以将纳米发电机的应用范围扩大到光学、声学及传感等领域，具有巨大的应用潜力。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简要介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域的普通技术人员来讲，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为本发明实施例的基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机的结构示意图；

图2为本发明实施例的基于铌酸锂多晶薄膜的摩擦纳米发电机的输出电压波形；

图3为本发明实施例的基于铌酸锂单晶薄片的摩擦纳米发电机的输出电压波形。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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发明的一部分实施例，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。另外地，不应当将本发明的保护范围仅仅限制至下述具体实验方法或具体参数。

如图1所示，为本发明的一种基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机，包括由第一摩擦材料组成的正极性摩擦层1、由第二摩擦材料组成的负极性摩擦层2、第一电极3、第二电极4，其中，所述正极性摩擦层1与第一电极3相接触，所述负极性摩擦层2与第二电极4相接触，所述正极性摩擦层1与负极性摩擦层2之间接触或分离设置，当有交变外力作用在所述摩擦纳米发电机时，正极性摩擦层1与负极性摩擦层2会发生接触/分离或相对滑动，使第一电极3和第二电极4之间产生交流电信号。

其中，所述正极性摩擦层1与负极性摩擦层2在接触时会带上不同极性的电荷。正极性摩擦层1由于容易失电子而带正电，负极性摩擦层2由于容易得电子而带负电。上述摩擦层分离/接触或相对滑动的过程中，其形成的电势差会驱动外电路中产出电荷的移动，即形成电流。

本发明提供的一种基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机的制备方法包括以下步骤：

步骤1，使用内圆切的方法对由提拉法制成的铌酸锂柱状晶体进行(006)面切割(c切)，得到铌酸锂单晶薄片，其厚度约为500纳米-5毫米，并用胶在铌酸锂单晶薄片的+c或-c面粘上金属电极；或使用激光分子束外延(lmbe)的方法在高掺硅基底上制备铌酸锂多晶薄膜，薄膜厚度约为100-500纳米，薄膜表面具有一定的不平整度。

步骤2，制备聚二甲基硅氧烷(pdms)并在其表面修饰微结构。将聚二甲基硅氧烷单体与固化剂以质量比10∶1混合，搅拌均匀后涂覆在黑硅母版上，去除混合液中的气泡，在匀胶机上以一定转速使聚二甲基硅氧烷(pdms)均匀成膜并在恒温箱中固化剥离。

步骤3，将所述聚二甲基硅氧烷(pdms)不具有微结构的表面和金属电极通过胶进行粘合。

步骤4，分别在金属电极和高掺硅片上引出铜导线。

步骤5，将步骤1中的带有金属电极的铌酸锂单晶薄片或带有高掺硅电极的铌酸锂多晶薄膜与步骤3中的聚二甲基硅氧烷(pdms)分别固定在可产生交变力的装置上，其中铌酸锂材料和pdms具有微结构的表面处于相向位置，可以直接接触摩擦。使用示波器采集输出电压。

下面通过实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

如图1所示，为本发明提供的一种基于铌酸锂多晶薄膜的摩擦纳米发电机。包括正极性摩擦层1、负极性摩擦层2、第一电极3、第二电极4，具体制备过程为：

(1)制备铌酸锂多晶薄膜

步骤1、清洗高掺硅基底。首先将高掺硅基底放入氢氟酸中10秒以去除氧化层。取出后使用去离子水冲洗干净。然后在无水乙醇溶液中超声15分钟，最后用去离子水冲洗干净。

步骤2、安装靶材和基底。将清洗后的高掺硅基底和铌酸锂靶材固定到进样室中。抽取真空，然后将样品从进样室推入生长室。抽取真空直至生长室真空度达到10^-5pa。加热基底至温度为750℃。

步骤3、调节生长气氛和激光。充入氧气，关闭分子泵，使生长室压强维持在30pa。调节激光与靶材的位置，使激光的聚焦光斑较小。设置靶材与基底的旋转速度和方向。

步骤4、生长薄膜。设置激光频率1hz，能量600mj，生长时间一小时。

步骤5、薄膜的退火和自然降温。维持750℃退火一小时，接着使样品自然降到室温后取出样品。

(2)制备聚二甲基硅氧烷(pdms)并在其表面修饰微结构

步骤1、将聚二甲基硅氧烷单体与固化剂以质量比10∶1混合并搅拌均匀，静置一小时以去除混合液中的气泡。

步骤2、将混合液浇注在黑硅母板上，设置匀胶机转速为300转每分钟，使聚二甲基硅氧烷(pdms)成厚度为200-400微米的薄膜，再次静置一小时以去除混合液中的气泡。

步骤3、将上述样品放置在恒温箱中，设置温度为85℃，固化时间40分钟。

步骤4、将聚二甲基硅氧烷pdms从黑硅母版上剥离。得到表面带有微结构的聚二甲基硅氧烷(pdms)。

(3)将所述聚二甲基硅氧烷(pdms)不具有微结构的表面和铝箔通过普通双面胶粘合。

(4)分别在铝箔电极和高掺硅电极上引出铜导线。

(5)将步骤1中的带有高掺硅电极的铌酸锂多晶薄膜与步骤3中带有铝箔电极的聚二甲基硅氧烷(pdms)分别固定在激振器上，其中铌酸锂材料和pdms具有微结构的表面处于相向位置，使用示波器采集输出电压。

图2为上述基于铌酸锂多晶薄膜的摩擦纳米发电机的输出电压图。采用以上步骤所制备出的基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机，在外部振动频率为9hz时，输出电压峰值为134v，具有稳定的电压输出能力。

实施例二：

如图1所示，为本发明提供的一种基于铌酸锂单晶薄片的摩擦纳米发电机。包括正极性摩擦层1、负极性摩擦层2、第一电极3、第二电极4，具体制备过程为：

(1)制备铌酸锂单晶薄片

步骤1、使用提拉法制备铌酸锂柱状晶体，并进行极化获得单畴铌酸锂晶体。

步骤2、使用内圆切的方法对单畴铌酸锂柱状晶体沿c面进行切割，得到厚度为1毫米，长宽均为1厘米的铌酸锂单晶薄片。

步骤3、使用双抛机对铌酸锂单晶薄片进行双面抛光。

(2)将上述铌酸锂单晶薄片与铝箔通过普通双面胶粘合。

(3)制备聚二甲基硅氧烷(pdms)并在其表面修饰微结构

步骤1、将聚二甲基硅氧烷单体与固化剂以质量比10∶1混合并搅拌均匀，静置一小时以去除混合液中的气泡。

步骤2、将混合液浇注在黑硅母板上，设置匀胶机转速为300转每分钟，使聚二甲基硅氧烷(pdms)成厚度为200-400微米的薄膜，再次静置一小时以去除混合液中的气泡。

步骤3、将上述样品放置在恒温箱中，设置温度为85℃，固化时间40分钟。

步骤4、将聚二甲基硅氧烷pdms从黑硅母版上剥离。得到表面带有微结构的聚二甲基硅氧烷(pdms)。

(4)将所述聚二甲基硅氧烷(pdms)不具有微结构的表面和铝箔通过普通双面胶粘合。

(5)分别在上述两个铝箔电极上引出铜导线。

(5)将步骤1中的带有铝箔电极的铌酸锂单晶薄片与步骤3中带有铝箔电极的聚二甲基硅氧烷(pdms)分别固定在激振器上，其中铌酸锂材料和pdms具有微结构的表面处于相向位置，使用示波器采集输出电压。

图3为上述基于铌酸锂单晶薄片的摩擦纳米发电机的输出电压图。采用以上步骤所制备出的基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机，在外部振动频率为9hz时，输出电压峰值为84v，具有稳定的电压输出能力。

以上所述制备步骤，根据实际需要可调整工艺顺序或删减工艺步骤，例如采用如下步骤：

步骤1，制备铌酸锂单晶薄片并与金属电极进行粘合或在高掺硅基底上制备铌酸锂多晶薄膜；

步骤2，制备聚二甲基硅氧烷(pdms)并在其摩擦表面修饰微结构；

步骤3，将所述聚二甲基硅氧烷(pdms)未修饰微结构的一面和金属薄片进行粘合；

步骤4，分别在金属电极和高掺硅电极上引出铜导线；

步骤5，将步骤1中制备的带有电极的铌酸锂材料和将步骤3中制备的带有电极的聚二甲基硅氧烷(pdms)分别固定在可产生相对移动的装置上，所述带有电极的铌酸锂材料和所述pdms具有微结构的表面处于相向位置；

步骤6，可产生相对移动的装置工作时，带动铌酸锂材料和聚二甲基硅氧烷发生接触/分离或相对滑动，使用示波器采集输出电压。

其中步骤1中，铌酸锂单晶薄片为(006)晶面切割的c向，薄片厚度约为500纳米-5毫米，并用胶粘上金属电极。以及步骤1中，铌酸锂多晶薄膜采用激光分子束外延(lmbe)的方法制备而成；薄膜厚度为100纳米-500纳米，薄膜表面具有不平整度。进一步地，步骤2中，制备聚二甲基硅氧烷(pdms)微结构的方法是使用黑硅作为母版。

本发明未详细阐述部分属于本领域技术人员的公知技术。以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。