一种多层核壳结构的压电纳米颗粒、制备方法及应用

本发明属于纳米功能材料，具体涉及一种多层核壳结构的压电纳米颗粒、制备方法及应用，其为一种用于压电式压力传感器的多层核壳结构的压电纳米颗粒、制备方法及应用。

背景技术：

1、压电纳米陶瓷颗粒由于自身优异的压电性，常作为额外的纳米填料加入到聚偏氟乙烯(pvdf)等聚合物中，用于提升聚合物基压电式柔性压力传感器的压电输出以及灵敏度。常用的压电纳米陶瓷颗粒具有在外力作用下产生极化强度变化的能力，例如：氧化锌(zno)、氮化镓(gan)等纤锌矿结构晶体，以及锆钛酸铅(pbzrtio3,pzt)、钛酸钡(batio3，bto)等钙钛矿结构晶体。无机压电陶瓷颗粒与聚合物的复合可以实现高铁电压电性能的柔性传感器材料，因此也受到研究者的广泛关注。

2、压电陶瓷纳米颗粒区别于块体压电陶瓷材料，压电陶瓷纳米颗粒不具有天然的脆性、不易损坏，并且具有优异的铁电压电特性。压电陶瓷纳米颗粒作为填料加入柔性铁电聚合物内部时，可以实现铁电性的复合从而增强pvdf复合柔性材料铁电压电性能，并提升基于pvdf复合柔性材料所制备的压电式压力传感器的灵敏度。在纯无机陶瓷颗粒表面进行化学改性后，可以赋予纳米颗粒更多独特的物理特性。

3、中国专利cn115382013a公开了一种压电纳米颗粒及其制备方法，其为一种压电纳米颗粒bcg-nps，为核壳型压电纳米颗粒，主要由batio3、负载在batio3表面作为正电部分的壳聚糖以及负载在壳聚糖表面作为负电部分的氧化石墨烯组成。另一篇中国专利cn110081808a公开了一种双功能柔性传感器及其制备方法、可穿戴设备，其为一种应用压电纳米颗粒的传感器应用，双功能柔性传感器包括碳化纤维层、掺杂有压电纳米颗粒，以及柔性绝缘层和封装该掺杂有压电纳米颗粒的碳化纤维层；在该双功能柔性传感器与外界物体接触或者受到拉伸、弯曲等形变时，基于碳化纤维层的阻抗变化、传感器与外界物体的接触摩擦、以及压电纳米颗粒的晶格变化产生的压电效应这三种工作原理，实现了曲率、压力传感两种工作模式，具有良好的柔韧性、便携性、自驱动压力传感、以及压力探测灵敏度较高的特点。

4、目前压电纳米颗粒基于其优良的性能，在各个场景中得到广发应用，但是压电纳米颗粒脆性较大，并且压电纳米颗粒电压转化性，尤其是压电纳米颗粒的包覆性不足影响了压电纳米颗粒优良性能的进一步提升。

技术实现思路

1、基于现有技术存在存在的问题，本发明提供一种多层核壳结构的压电纳米颗粒、制备方法及应用，其适用于压电式压力传感器。

2、依据本发明技术方案的第一方面，提供一种多层核壳结构的压电纳米颗粒的制备方法，其为一种用于压电式压力传感器的多层核壳结构的压电纳米颗粒的制备方法，其包括以下步骤：

3、步骤s1、少层mxene水分散液的制备；

4、步骤s2、pzt@pda单层核-壳结构纳米颗粒的制备；

5、步骤s3、pzt@pda@mxene多层核壳结构的压电纳米颗粒的制备。

6、其中，步骤s1少层mxene水分散液的制备具体为将pzt纳米陶瓷颗粒加入到盐酸多巴胺与tris-盐酸(tris-hcl)的混合溶液中，混合常温搅拌，完成多巴胺的聚合反应，实现pda对pzt纳米颗粒的覆盖。

7、进一步地，步骤s2、pzt@pda单层核-壳结构纳米颗粒的制备具体为pda对pzt纳米颗粒的覆盖完成的pzt@pda单壳层纳米颗粒经过多次离心清洗之后，加入足量少层mxene纳米片的清水分散液，并缓慢加热40℃并搅拌2小时～4小时，从而实现静电自组装反应，构筑pzt@pda@mxene核-壳多层结构纳米颗粒。

8、更进一步地，步骤s3、pzt@pda@mxene多层核壳结构的压电纳米颗粒的制备具体为将步骤s2中得到混合液在搅拌完成后经过多次离心清洗，去除多余杂质，干燥得到pzt@pda@mxene纳米颗粒粉末。

9、优选地，pzt纳米颗粒添加浓度为10g/l，盐酸多巴胺与tris-hcl混合溶液浓度为0.1mol/l。

10、更优选地，少层mxene纳米片添加浓度为1wt％。

11、更优选地，pzt纳米陶瓷颗粒加入到盐酸多巴胺与tris-盐酸(tris-hcl)的混合溶液中搅拌，搅拌时常为24h.

12、更优选地，加入少层mxene纳米片后搅拌加热温度为40℃，搅拌时常为3h，干燥时常为6h。

13、依据本发明技术方案的第二方面，提供一种依据上述制备方法所制备的用于压电式压力传感器的多层核壳结构的压电纳米颗粒。

14、依据本发明技术方案的第三方面，提供一种将所制备的多层核壳结构的压电纳米颗粒在p(vdf-trfe)基柔性压电式压力传感器内的应用，所述应用包括以下步骤：

15、步骤w1、将足量的p(vdf-trfe)/pzt@pda@mxene混合多层核壳结构的压电纳米颗粒加入dmf溶剂中，搅拌制得p(vdf-trfe)/pzt@pda@mxene混合溶液；

16、步骤w2、将步骤w1得到的p(vdf-trfe)/pzt@pda@mxene混合溶液使用静电纺丝工艺制得混合纤维压电膜；

17、步骤w3、在步骤w2得到的混合纤维压电膜上下两层设置铝铂电极，封装后制得柔性压电式压力传感器。

18、与现有技术相比较，本发明所制备的pzt@pda@mxene核-壳多层结构的压电纳米颗粒包覆状态良好，具有明显的多壳层结构，分散性能优异，对于压电式压力传感器灵敏度的提升效果显著，具有明显的优化特性。首次实现了pzt@pda@mxene核-壳多层结构的压电纳米颗粒在压电传感器中的应用，在触觉模拟，压力识别，人工智能等领域具有极大应用潜力。

技术特征：

1.一种多层核壳结构的压电纳米颗粒的制备方法，其为一种用于压电式压力传感器的多层核壳结构的压电纳米颗粒的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的多层核壳结构的压电纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤s1少层mxene水分散液的制备具体为将pzt纳米陶瓷颗粒加入到盐酸多巴胺与tris-盐酸(tris-hcl)的混合溶液中，混合常温搅拌，完成多巴胺的聚合反应，实现pda对pzt纳米颗粒的覆盖。

3.根据权利要求2所述的多层核壳结构的压电纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤s2、pzt@pda单层核-壳结构纳米颗粒的制备具体为pda对pzt纳米颗粒的覆盖完成的pzt@pda单壳层纳米颗粒经过多次离心清洗之后，加入足量少层mxene纳米片的清水分散液，并缓慢加热40℃并搅拌2小时～4小时，从而实现静电自组装反应，构筑pzt@pda@mxene核-壳多层结构纳米颗粒。

4.根据权利要求3所述的多层核壳结构的压电纳米颗粒的制备方法，其特征在于：步骤s3、pzt@pda@mxene多层核壳结构的压电纳米颗粒的制备具体为将步骤s2中得到混合液在搅拌完成后经过多次离心清洗，去除多余杂质，干燥得到pzt@pda@mxene纳米颗粒粉末。

5.根据权利要求3所述的多层核壳结构的压电纳米颗粒的制备方法，其特征在于：pzt纳米颗粒添加浓度为10g/l，盐酸多巴胺与tris-hcl混合溶液浓度为0.1mol/l。

6.根据权利要求3所述的多层核壳结构的压电纳米颗粒的制备方法，其特征在于：少层mxene纳米片添加浓度为1wt％。

7.根据权利要求3所述的多层核壳结构的压电纳米颗粒的制备方法，其特征在于：pzt纳米陶瓷颗粒加入到盐酸多巴胺与tris-盐酸(tris-hcl)的混合溶液中搅拌，搅拌时常为24h。

8.根据权利要求3所述的多层核壳结构的压电纳米颗粒的制备方法，其特征在于：加入少层mxene纳米片后搅拌加热温度为40℃，搅拌时常为3h，干燥时常为6h。

9.依据权利要求1-8任意一项所述的制备方法所制备的用于压电式压力传感器的多层核壳结构的压电纳米颗粒。

10.一种将权利要求1-8之任一所制备的多层核壳结构的压电纳米颗粒在p(vdf-trfe)基柔性压电式压力传感器内的应用，所述应用包括以下步骤：

技术总结
本发明提供了一种多层核壳结构的压电纳米颗粒、制备方法及应用，其为一种用于压电式压力传感器的多层核壳结构的压电纳米颗粒、制备方法及应用，所述制备方法为：通过聚合聚多巴胺(polydopamine,PDA)在锆钛酸铅(Pb(Zr<subgt;0.41</subgt;Ti<subgt;0.59</subgt;)O<subgt;3</subgt;，PZT)压电纳米颗粒表面进行化学改性，并利用聚多巴胺的氨基团与二维碳化钛(Ti<subgt;3</subgt;C<subgt;2</subgt;T<subgt;x</subgt;，MXene)表面的‑F和‑OH官能团进行静电自组装，制备PZT@PDA@MXene的多层核‑壳结构。本发明所制备的纳米颗粒引入了大的界面极化效应从而实现压电性大幅提升，进一步与聚(偏氟乙烯‑三氟乙烯)(P(VDF‑TrFE))复合，通过静电纺丝制得复合纳米纤维，进一步提高了压电输出，提升压力传感器的灵敏度。本发明首次提出了PZT@PDA@MXene压电多层核‑壳结构纳米颗粒，用于高性能柔性压电式压力传感器的构建。

技术研发人员：祁亚军,王建乔,傅奕婧,刘丰,周鹏,章天金
受保护的技术使用者：湖北大学
技术研发日：
技术公布日：2024/2/6