本发明属于压电材料的
技术领域：
，提供了一种用于道路表面发电的柔性压电薄膜及制备方法。
背景技术：
：随着环境资源的枯竭，能量的回收再利用得到整个社会的重视。近年来我国公路里程和机动车保有量急速增加，道路在车辆荷载的频繁作用下内部积存了大量的机械振动能量。车辆在道路行驶时，车轮与路面存在相互作用，在此过程中，有相当一部分能力消耗，该部分能量可以进行回收，并加以利用。因此，开发出一种可将道路内部机械应变能转化为电能的发电路面得到越来越多人的关注。压电材料作为一种在荷载作用下可产生电荷的功能转换型材料，随着对其性能和应用研究的日趋深入，基于压电材料压电效应开发的压电换能器实现了机械应变能到电能的转换，但是基于压电换能器的发电路面存在对原路面结构损害大、造价高、施工复杂、应用推广困难等缺陷，如若开发出一种压电材料与路面材料一体化的道路压电发电沥青混凝土，将荷载作用下路面变形产生的机械能直接转化为电能，可较好解决压电元件埋置到路面中时所引起的诸多危害，具有广阔的应用前景。常用压电材料主要有无机压电材料、有机压电材料和复合压电材料，其中无机压电材料具有较高的机械品质因数和稳定性，然而压电性能相对微弱;薄膜状有机压电材料具有低疲劳、大应变等优点，但压电系数小、耐温变性能差且在路面石料棱角作用下易发生形状破坏;复合压电材料种类少与价格昂贵的特点不适用于道路工程领域。当前节能减排的重点在于实现技术节能，由于压电材料具有优良的特性，国内外对压电材料的研究较多。因对压电发电技术的研究较少，故压电发电技术必将成为未的发展趋势。目前国内外在道路压电技术，尤其是压电材料方面已取得了一定成效。其中王朝辉等人发明了一种适用于道路压电发电的堆叠式压电换能器及制作方法（中国发明专利申请号201710724955.5），该制作方法依次制作圆形陶瓷基片，制作圆角陶瓷基片，制作圆角压电陶瓷单片，制作堆叠式压电陶瓷，制作堆叠式压电换能器。本发明从制作工艺上对压电陶瓷片的结构、形状进行优化，保证两侧电极涂刷的对称性及均匀性，圆角工艺可使得电极层与陶瓷片具有良好的贴合性避免漏瓷现象，达到耐久性好、使用寿命长的目的；同时，两侧金属板的设置可增加结构整体性及强度。另外，郭亚兵等人发明了一种用于道路的压力发电系统（中国发明专利申请号201521013642.1），包括：压电模块、整流模块、储能模块；所述压电模块，将路面压力对其所作的机械功转化为电能；整流模块，与压电模块电连接，将来自压电模块的电能转化为特定电压的直流电；储能模块，与所述整流模块电连接，接收并存储来自整流模块的电能；通过在道路部署发电系统，将车辆在路面行驶时对路面所做的机械功收集并转化为电能存储在储能装置，实现了能量循环利用的功能，并将这部分电能输出至外部用电单位主要指电动汽车，解决了目前电动汽车的充电难题，具有很好的实用性。可见，现有技术中的用于道路的压电材料存在产生电量少且不连续的问题，发的电很难全部导出，并且由于传统导电电极的缺点，消耗了大量压电材料发出的电，同时存在形变力也不好，发电效果不好等缺点。技术实现要素：针对这种情况，我们提出一种用于道路表面发电的柔性压电薄膜及制备方法，显著改善了压电材料的形变能力，提高了压电发电率，解决了发电后难以导出的问题。为实现上述目的，本发明涉及的具体技术方案如下：一种用于道路表面发电的柔性压电薄膜，所述柔性压电薄膜由电极层、碳纳米管薄膜层、柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层组成。优选的，所述柔性压电薄膜中，由下而上，依次为第一电极层、第一碳纳米管薄膜层、柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层、第二碳纳米管薄膜层、第二电极层。优选的，所述第一电极层、第二电极层的厚度为0.8~1.2μm。优选的，所述第一碳纳米管薄膜层、第二碳纳米管薄膜层的厚度为100~200nm。优选的，所述柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层的厚度为20~30μm，弧面的弧度为1~2rad。本发明还提供了一种上述用于道路表面发电的柔性压电薄膜的制备方法，所述柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层的制备方法为，将聚偏氟乙烯溶于二甲基甲酰胺中，制成成膜液，然后旋涂于具有弧面的柔性硅胶基底上，再进行真空干燥，即可制得柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层；所述碳纳米管薄膜层的制备方法为，将碳纳米管加入去离子水中，超声分散均匀，然后进行高压喷雾，先后在柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层的两侧进行沉积，即可形成碳纳米管薄膜层；所述电极层的材质为银，通过电镀沉积于碳纳米管薄膜层的表面。优选的，所述聚偏氟乙烯成膜液中，聚偏氟乙烯30~50重量份、二甲基甲酰胺50~70重量份。优选的，所述旋涂的方式为，先以500~800r/min的转速旋涂4~8s，再以1200~1500r/min的转速旋涂25~32s。由于碳纳米管具有良好的导电性，可极大程度地导出电荷，因此，本发明在柔性压电薄膜中设置了碳纳米管薄膜层，解决了压电材料的电荷不易导出的难题。另外，由于弧面结构具有良好的形变力，可提高压电材料的机械能与电能的转换能力，因此，本发明将聚偏氟乙烯成膜液旋涂于具有弧面的柔性硅胶基底上，以制得弧面的聚偏氟乙烯薄膜层，解决了压电材料在外力或温度作用下形变力不好的缺陷。本发明提供了一种用于道路表面发电的柔性压电薄膜及制备方法，与现有技术相比，其突出的特点和优异的效果在于：1.本发明制备的压电材料，发电效果良好，可广泛用于道路发电路面上。2.本发明的制备方法，将压电材料与碳纳米管相结合实现发电，利用碳纳米管导电性良好的特征，极大程度的导出了所有的电荷，解决了压电材料发电率低，不易导出的问题。3.本发明的制备方法，利用柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层，利用弧面结构的良好形变力，提高了压电材料的机械能与电能的转换能力。具体实施方式以下通过具体实施方式对本发明作进一步的详细说明，但不应将此理解为本发明的范围仅限于以下的实例。在不脱离本发明上述方法思想的情况下，根据本领域普通技术知识和惯用手段做出的各种替换或变更，均应包含在本发明的范围内。实施例1柔性压电薄膜由电极层、碳纳米管薄膜层、柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层组成；由下而上，依次为平均厚度为0.9μm的第一电极层，平均厚度为160nm的第一碳纳米管薄膜层，平均厚度为26μm、弧度为1rad的柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层、平均厚度为140nm的第二碳纳米管薄膜层、平均厚度为1.1μm的第二电极层。柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层的制备方法是将42kg聚偏氟乙烯溶于58kg二甲基甲酰胺中，制成成膜液，然后以700r/min的转速旋涂5s，再以1300r/min的转速旋涂29s，旋涂于具有弧面的柔性硅胶基底上，再进行真空干燥，即可制得柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层。碳纳米管薄膜层的制备方法是将碳纳米管加入去离子水中，超声分散均匀，然后进行高压喷雾，先后在柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层的两侧进行沉积，即可形成碳纳米管薄膜层。电极层的材质为银，通过电镀沉积于碳纳米管薄膜层的表面。测试方法：将本发明制得的压电薄膜安装于两个木板之间，上部木板模拟路面沥青层，下部木板模拟路基，按照道路车辆行驶速度60km/h得到压电材料的理论加载频率为10hz，荷载为10n，其压电常数d33（pc/n）、和回弹形变所得数据如表1所示。实施例2柔性压电薄膜由电极层、碳纳米管薄膜层、柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层组成；由下而上，依次为平均厚度为0.8μm的第一电极层，平均厚度为100nm的第一碳纳米管薄膜层，平均厚度为20μm、弧度为2rad的柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层、平均厚度为100nm的第二碳纳米管薄膜层、平均厚度为0.8μm的第二电极层。柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层的制备方法是将30kg聚偏氟乙烯溶于70kg二甲基甲酰胺中，制成成膜液，然后以500r/min的转速旋涂8s，再以1200r/min的转速旋涂32s，旋涂于具有弧面的柔性硅胶基底上，再进行真空干燥，即可制得柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层。碳纳米管薄膜层的制备方法是将碳纳米管加入去离子水中，超声分散均匀，然后进行高压喷雾，先后在柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层的两侧进行沉积，即可形成碳纳米管薄膜层。电极层的材质为银，通过电镀沉积于碳纳米管薄膜层的表面。测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。实施例3柔性压电薄膜由电极层、碳纳米管薄膜层、柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层组成；由下而上，依次为平均厚度为1.2μm的第一电极层，平均厚度为200nm的第一碳纳米管薄膜层，平均厚度为30μm、弧度为2rad的柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层、平均厚度为200nm的第二碳纳米管薄膜层、平均厚度为1.2μm的第二电极层。柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层的制备方法是将50kg聚偏氟乙烯溶于50kg二甲基甲酰胺中，制成成膜液，然后以800r/min的转速旋涂4s，再以1500r/min的转速旋涂25s，旋涂于具有弧面的柔性硅胶基底上，再进行真空干燥，即可制得柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层。碳纳米管薄膜层的制备方法是将碳纳米管加入去离子水中，超声分散均匀，然后进行高压喷雾，先后在柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层的两侧进行沉积，即可形成碳纳米管薄膜层。电极层的材质为银，通过电镀沉积于碳纳米管薄膜层的表面。测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。实施例4柔性压电薄膜由电极层、碳纳米管薄膜层、柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层组成；由下而上，依次为平均厚度为0.9μm的第一电极层，平均厚度为120nm的第一碳纳米管薄膜层，平均厚度为23μm、弧度为1rad的柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层、平均厚度为130nm的第二碳纳米管薄膜层、平均厚度为0.9μm的第二电极层。柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层的制备方法是将35kg聚偏氟乙烯溶于65kg二甲基甲酰胺中，制成成膜液，然后以600r/min的转速旋涂7s，再以1300r/min的转速旋涂30s，旋涂于具有弧面的柔性硅胶基底上，再进行真空干燥，即可制得柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层。碳纳米管薄膜层的制备方法是将碳纳米管加入去离子水中，超声分散均匀，然后进行高压喷雾，先后在柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层的两侧进行沉积，即可形成碳纳米管薄膜层。电极层的材质为银，通过电镀沉积于碳纳米管薄膜层的表面。测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。实施例5柔性压电薄膜由电极层、碳纳米管薄膜层、柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层组成；由下而上，依次为平均厚度为1.1μm的第一电极层，平均厚度为170nm的第一碳纳米管薄膜层，平均厚度为28μm、弧度为2rad的柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层、平均厚度为180nm的第二碳纳米管薄膜层、平均厚度为1.1μm的第二电极层。柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层的制备方法是将45kg聚偏氟乙烯溶于55kg二甲基甲酰胺中，制成成膜液，然后以700r/min的转速旋涂5s，再以1400r/min的转速旋涂28s，旋涂于具有弧面的柔性硅胶基底上，再进行真空干燥，即可制得柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层。碳纳米管薄膜层的制备方法是将碳纳米管加入去离子水中，超声分散均匀，然后进行高压喷雾，先后在柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层的两侧进行沉积，即可形成碳纳米管薄膜层。电极层的材质为银，通过电镀沉积于碳纳米管薄膜层的表面。测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。实施例6柔性压电薄膜由电极层、碳纳米管薄膜层、柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层组成；由下而上，依次为平均厚度为1μm的第一电极层，平均厚度为150nm的第一碳纳米管薄膜层，平均厚度为25μm、弧度为2rad的柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层、平均厚度为150nm的第二碳纳米管薄膜层、平均厚度为1μm的第二电极层。柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层的制备方法是将40kg聚偏氟乙烯溶于60kg二甲基甲酰胺中，制成成膜液，然后以650r/min的转速旋涂6s，再以1350r/min的转速旋涂30s，旋涂于具有弧面的柔性硅胶基底上，再进行真空干燥，即可制得柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层。碳纳米管薄膜层的制备方法是将碳纳米管加入去离子水中，超声分散均匀，然后进行高压喷雾，先后在柔性弧面聚偏氟乙烯薄膜层的两侧进行沉积，即可形成碳纳米管薄膜层。电极层的材质为银，通过电镀沉积于碳纳米管薄膜层的表面。测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。对比例1柔性压电薄膜制备过程中，聚偏氟乙烯薄膜层的弧面结构改成平面结构，其他制备条件与实施例6一致。测试方法与实施例1一致，所得数据如表1所示。表1：性能指标最大形变量（mm）压电常数d33（pc/n）实施例12265.4实施例22164.7实施例32464.8实施例42364.6实施例52264.7实施例62364.4对比例11159.5当前第1页12