压电元件和压电能量收集系统的制作方法

压电元件和压电能量收集系统的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种压电元件，由片状或块状弹性体组成，所述弹性体中嵌入有含金属的纳米材料，使得所述弹性体呈现压电特性。本发明还涉及一种压电能量收集系统，包括上述的压电元件，所述压电元件的两个表面上贴设有电极用于收集并传导所述压电元件产生的电能，其中，压电能量收集系统还包括至少一个附属的结构层及保护层使其在外部压力作用下可使所述压电元件产生局部变形。
【专利说明】压电元件和压电能量收集系统

【技术领域】
[0001]本发明涉及压电元件和压电能量收集系统，特别是涉及柔性可穿戴式的压电能量收集系统。

【背景技术】
[0002]压电元件在现今的生活中已得到广泛应用。压电效应的原理为，如果对压电材料施加一定的压力使其产生应变，便会在压电材料的上下表面产生电位差(称之为正压电效应)，反之施加电压，则产生形变/机械应力(称为逆压电效应)。压电元件可用于传感器，还可用于换能器以实现机械能与电能之间的转换。本发明涉及将机械能转化为电能的压电器件。
[0003]压电元件包括各种压电晶体、压电陶瓷、压电高分子材料等。可制作成压电薄膜，或将多个压电体和多个内部电极互相交替地层叠制成层叠型压电元件，也可制作压电纳米材料。
[0004]聚偏氟乙烯(PVDF)是一种半结晶聚合物，根据结晶的条件或合成条件(溶剂、温度、铸造方法、薄膜拉伸和退火条件等)，PVDF可以形成不同的晶相，例如α-相、β-相和Y-相等晶相。若PVDF从溶液中或者熔融状态下结晶，便只能得到非极性晶型(α-相的PVDF具有偶极矩为零的链)，它是能量最低、最稳定的结构，不具有铁电性、压电性。极化是PVDF材料处理中的一个重要环节，其主要目的是让聚合物中杂乱取向的分子偶极矩沿着特定方向(如极化电场方向)一致取向，形成全反式构象的极性晶型，改善PVDF薄膜的铁电/压电性能，比如，β -相的PVDF在多晶型中由于其极性链(polar chains)而具有最显着的压电性能。
[0005]专利文献US 2010/0298720 Al公开了 PVDF薄膜植入躯体内用于压电能量收集系统的情形。一般地，若要制造出具有压电特性的PVDF薄膜，需要在中等温度下执行一种由电极化和机械拉伸两者组成的处理过程，以便对齐结晶性的聚偏氟乙烯结构中的偶极子，促进形成β_相的PVDF结晶结构。然而，这种特殊制造工艺的缺点是比较复杂且不经济。
[0006]使用纳米材料的技术(比如,压电发生器piezoelectric generator)也有记载,公开的报道中已涉及到使用纳米压电材料产生电能，可参见文献Z.L.Wang, J.Song, Science312 (2006 )，242-246。纳米压电元件一般是基于纳米膜、纳米线和纳米纤维的形式，例如压电元件利用压电氧化锌(ZnO)纳米线。PVDF纳米纤维具有独特的柔性、轻便性、生物相容性和可用性、超长的长度、不同的形状等相结合的材料特性，使他们成为适于植入人体的设备中能量收集应用中的候选对象。
[0007]与使用PVDF薄膜相似，PVDF纳米纤维同样须具备压电性才行，即需获得β _相的PVDF结晶结构。这便(理论上)要求进行由电极化和机械拉伸组成的预处理。(实践中，对于以静电纺丝形成的PVDF纳米纤维，在其(远场、近场)静电纺丝制备过程中可以提供高电场和机械拉伸)。但是其制造过程(例如，远场静电纺丝法FFES)较复杂，而且现有技术中，收集纳米纤维产生的电能、以及控制过程并不方便。
[0008]现有技术的其它不足之处还有，薄膜状的压电结构、由纳米纤维/纳米线/纳米膜形成的压电结构机械强度不高、电极可拉伸性弱、不耐磨，疲劳寿命很短，通常不到I万次。
[0009]另一缺点是由现有技术中使用的压电材料所能获得的功率密度较低。从此前的工作中可知，提高能量收集效率的重要因素之一是增大变形所引起的应变、应变速率或频率和应变梯度。在使用压电薄膜的情况下，由于薄膜受到均匀分布的法向力，若无其它辅助结构，压电元件只能获得有限的应变，应变速率和应变梯度。以上这些缺点导致现有技术中的压电材料不适合用于穿戴式系统。本发明旨在开发具有更优异压电性的新压电材料，提高压电能量收集系统的收集效率。


【发明内容】

[0010]本部分内容是对本发明的一个简要概括，意在提供关于本发明的一些方面的基本介绍。本概括不是本发明的详尽概述，不应以此来确定本发明的关键或重要元素或限定本发明的范围。
[0011]根据本发明的一个方面，本发明提出了一种新型的压电元件结构。该压电元件由片状或块状弹性体(聚合物)组成，所述弹性体中嵌入有含金属的纳米材料，使得所述弹性体呈现压电特性。
[0012]根据本发明的另一个方面，本发明提出了一种压电能量收集系统，其包括一压电元件，该压电元件由片状或块状弹性体组成，其中，所述弹性体中嵌入有含金属的纳米材料，使得所述弹性体呈现压电特性；所述压电元件的相对的两个表面上贴设有片状或块状柔性电极用于收集并传导所述压电元件产生的电能，其中，该压电能量收集系统还包括至少一个附设在所述电极中至少一个之上与所述压电元件相对的一侧上的、在外部压力作用下可使所述压电元件产生局部变形的结构层。
[0013]根据本发明的另一个方面，本发明提出了一种压电能量收集系统，包括片状或块状压电元件，所述压电元件的相对的两个表面上贴设有片状或块状电极用于传导所述压电元件产生的电能。压电能量收集系统还包括至少一个附设在所述电极中至少一个之上与所述压电元件相对的一侧上的、在外部压力作用下可使所述压电元件产生局部变形的结构层。
[0014]本发明的压电元件、压电能量收集系统具有结构简单、易于制造、更高的功率输出、应用范围广并适宜于可穿戴的设备、耐疲劳性强等优点，可以从低频运动如人体活动中收集能量，为可穿戴式电子设备提供电能。

【专利附图】

【附图说明】
[0015]本发明可以通过参考下面的描述并结合附图来理解，其中:
[0016]图1示出了柔性可穿戴式的压电能量收集单元具有齿形结构；
[0017]图2示出了具有压电纳米粒子的0-3型复合材料结构；
[0018]图3为具有压电纳米棒/纳米杆的1-3型复合材料结构；
[0019]图4为具有压电纳米线的1-3型复合材料结构；
[0020]图5为具有织物电极的压电元件示意图；
[0021]图6 Ca)为针织织物电极正面的扫描电子显微镜图像；图6 (b)为针织织物电极反面的扫描电子显微镜图像；图6 (c)为单独一个针织织物电极的横截面的SEM图像；图6(d)为复合导电纱线的结构示意图；
[0022]图7 (a)为具有银纳米线的PVDF复合材料膜的扫描电子显微镜图像，图7 (b)为具有银纳米线和PVDF纳米纤维的PVDF复合材料的扫描电子显微镜图像；
[0023]图8 (a)为PVDF复合材料的FT-1R光谱图像；图8 (b)为(具有银纳米线的)PVDF复合材料的FT-1R光谱图像；
[0024]图9 (a)为溶液沉积方法制备的PVDF复合材料的XRD图像；图9 (b)为静电纺丝方法制备的PVDF复合材料的XRD图像；
[0025]图10 Ca)为柔性可穿戴式的压电能量收集系统的压电元件的示意图；图10 (b)为柔性可穿戴式的压电能量收集系统的AC/DC转换器的示意图；图10 (c)为柔性可穿戴式的压电能量收集系统的临时储能器、DC/DC转换器和阻抗匹配电路的示意图。

【具体实施方式】
[0026]现在将参照附图对本
【发明内容】
加以详细描述。各种结构、系统仅是为了解释的目的，使得本领域技术人员凭借其知识容易理解本发明。
[0027]根据本发明的一个方面，提出了一种压电元件，其可用于将机械能转换为电能，具体地，压电元件在外压力作用下，内部出现压应力，介质两表面上出现符号相反的束缚电荷，形成电位差，可经由两侧的电极输出。就压电特性的形成机理而言，本发明的压电元件与现有技术的压电薄膜不同，也不同于现有技术中使用的压电纳米纤维。举例来说，α-晶相的PVDF中填充银纳米线后，其α -晶相转变成β -晶相，β -晶相的PVDF呈现压电特性。本发明提出的压电元件由显著尺寸为二维的(如片状或块状)弹性体组成，该弹性体也具有一定的厚度，其中，所述弹性体中可选择嵌入一种或多种金属纳米线，优选为银或铜纳米线，使得所述弹性体具有压电特性。
[0028]压电元件是能量收集元件的核心，针对能量收集系统中的压电元件本发明提出四类压电材料系统。第一类材料系统是由压电聚合物制成的压电薄膜，其中可选择嵌入一种或多种金属纳米线优选为银质、铜质纳米线，所述压电聚合物例如是聚偏氟乙烯、偏氟乙烯共聚物、或聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物等。
[0029]第二类材料系统是由压电聚合物制成的纳米纤维，其中可选择嵌入一种或多种金属纳米线优选为银质、铜质纳米线，所述压电聚合物例如是聚偏氟乙烯、偏氟乙烯共聚物、或聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物等。如图7(b)所示，所述压电聚合物和金属纳米线可与第一类材料系统中所阐述的相同。图7 (a)和图7 (b)描述了填充有银纳米线的PVDF薄膜和纳米纤维的扫描电子显微镜图像，其中图7 Ca)为填充有银纳米线的PVDF复合材料膜，图7(b)为填充有银纳米线的PVDF纳米纤维。晶相变化可使用两种不同的方法(FTIR光谱和XRD)予以证实。图8 (a)为PVDF纳米纤维/薄膜的FT-1R光谱图像，图8 (b)为(具有银纳米线的)PVDF复合材料的FT-1R光谱图像，从图中可看出，纳米纤维的傅立叶变换红外光谱(FTIR)在波数为840CHT1和1280CHT1处显示了极强的振动峰值，这是β型结晶相典型的振动特性。此外，相的形成也可由X-射线衍射(XRD)数据证实，图9 (a)为PVDF薄膜/具有银纳米线的PVDF薄膜的XRD图像，图9 (b)为PVDF纳米纤维并填充有银纳米线纳米纤维的XRD图像，从图中可看出，在2Θ的值为20.50之处强度数据呈现极强的β相结晶信号，从图中还可看出，相比较之下，PVDF薄膜的FTIR和XRD测量结果具有弱得多的β相。这表明，静电纺丝更利于形成β相的结晶PVDF。
[0030]第三类材料系统是由包含PDMS或PVDF和压电/铁电氧化物纳米粒子的0_3型复合材料制成，如图2所示。所述压电/铁电氧化物例如是氧化锌或钙钛矿氧化物(钙钛矿氧化物包括NaNbO3、KxNahNbO3等)。图2描述了具有压电纳米粒子的0_3型复合材料结构的实施例，其包括柔性电极5、柔性绝缘基层6、压电纳米粒子7和弹性体8。弹性体8可选择为环氧树脂、聚二甲基硅氧烷或聚(二甲基硅氧烷)、天然或合成橡胶、共聚酯、聚酰胺、热塑性弹性体烯烃或聚氨酯等。弹性体8及压电体纳米粒子7构成压电层(0-3型复合材料)。
[0031]第四类材料系统是由PDMS或PVDF和压电/铁电氧化物纳米棒、纳米杆或纳米线制成的1-3型复合材料。所述压电/铁电氧化物可选择为氧化锌或钙钛矿氧化物(其中，钙钛矿氧化物包括NaNb03、KxNa1^xNbO3> Li或其它金属改性无铅陶瓷等)。
[0032]图3描述了具有压电纳米棒/纳米杆的1-3型复合材料结构，其包括弹性体9、柔性电极10、柔性绝缘基层12和压电纳米棒/纳米杆11。弹性体9可选择为环氧树脂、聚二甲基硅氧烷或聚(二甲基硅氧烷)、天然或合成橡胶、共聚酯、聚酰胺、热塑性弹性体烯烃或聚氨酯。弹性体9及压电纳米棒/纳米杆11构成压电层(1-3型复合材料)。在压电元件中，压电纳米棒或者纳米杆在弹性体中可定向排列也可随机排列。
[0033]图4为具有压电纳米线的1-3型复合材料结构，其包括弹性体14上的柔性电极
13、柔性绝缘基层(基底)15和压电纳米线16。弹性体14可选择为环氧树脂、聚二甲基硅氧烷或聚(二甲基硅氧烷)、天然或合成橡胶、共聚酯、聚酰胺、热塑性弹性体烯烃或聚氨酯。弹性体14及压电纳米线16构成压电层(1-3型复合材料)。在压电元件中，压电纳米线在弹性体中可定向排列也可随机排列。
[0034]需说明的是，本发明中压电(能量收集)元件的极化方向为厚度方向，在压电能量收集系统中，压电元件被配置为d33模式(d33表示纵向压电常数)或d31模式，以收集更多的倉tfi。
[0035]此外，从图1可以看出，压电元件还可包括分别位于柔性电极两侧的两个绝缘层I和4，起到防止压电元件3收集的电荷泄露，阻止与其它导体、液体、人体接触及起到机械保护作用。
[0036]根据本发明的另一个方面，本发明提出了一种压电能量收集系统。
[0037]从现有技术中可以得到，在低频率运动中例如行走的情形，压电能量收集系统产生的能量Ec可以表示为Ee= _________________f_________+Cl, j, k, 1= I? 2, 3) ?其结合了正压

2.SSS Bji
电效应和挠曲电效应。其中等式右侧的第一项是指正压电效应，如果所施加的力的方向是在极化方向，该第一项是杨氏模量Y、均勻地分布在整个样本上的最大应变S、电压V、介电常数ε与压电常数dijk的函数,压电常数dijk为三阶的极性张量(third-rank polar
tensor), s为电极的面积。等式右侧的第二项是指应变梯度(/3? )引起的极化所产生的能量，其中，μ ukl是挠曲电系数，为四阶极性张量，在上式中，后缀(i，j，k，I)满足爱因斯坦求和约定。1-3型复合材料具有更好的正压电效应。由于填充有一维纳米结构的压电材料可获得更佳的应力/应变梯度效果和机电耦合系数，因此，1-3型复合材料具有更好的压电性能。
[0038]为此,在一种实施例中，参见图1，压电能量收集系统除包括压电元件3外,还包括贴设在压电元件3的至少一侧的相邻结构层2。结构层2朝向压电元件3的一侧设有多个突起部。结构层2在外部压力作用下(通过单个的突起部)可使所述压电元件产生局部变形，t匕如在压电元件的多个点位/部位产生局部变形，因而形成较大的应变梯度(?icX,)，
会增大应变梯度(dejk /δχ,)弓丨起的极化，从而使压电元件中产生的电能增大。结构层2的结构设计宜遵从这样的原则来进行，即，使得由正压电效应和挠曲电效应所产生的电能总和最大化。
[0039]图1示出了柔性可穿戴式的压电能量收集单元的实施例，在该实施例中，压电能量收集单元由齿形结构层2、具有柔性电极的压电(结构)层3、以及两个绝缘层I和4组成。齿形结构层由弹性体家族的材料制成，所述材料例如是环氧树脂、聚二甲基硅氧烷或聚(二甲基硅氧烷)、天然或合成橡胶、共聚酯、聚酰胺、热塑性弹性体烯烃或聚氨酯。
[0040]在一种实施例中，所述结构层是一面为齿形的结构层(即突起部为齿形)，优选为齿形弹性体，具有齿形的一面朝向所述压电元件。
[0041]在结构层的一种实施例中，突起部可为类似齿形的结构，比如尖刃部，可为成排的刀刃状、刀刃构成的网格形，或为规则的点阵形式(方阵)分布的锥尖部，或结构层2上随机分布的多个锥尖等。
[0042]虽然图1中仅示出了位于压电元件一侧的结构层2，本领域的技术人员可依本发明公开内容的益处根据需要来确定，在压电元件3的另一侧(即图1中的压电元件3与绝缘层4之间)也附加设置结构层。结构层2可以是类似于压电元件3的片状或块状，并具有与压电元件3大致相同的尺寸。也可采用尺寸较小的结构层2，或者以合适的组装拼接方式(例如与其它形式的结构层拼装结合)而获得大尺寸的结构层。
[0043]在一种实施例中，压电能量收集系统的电极为柔性电极。该电极可与弹性体的表面尺寸大致相当。研究结果表明，柔性电极是压电能量收集系统的重要组成部分，因其性能和可靠性对能量收集系统的效率和寿命影响极大。刚性电极可能妨碍压电元件产生形变，不利于压电元件产生局部变形，因而可能减弱压电元件的输出电功率；另一方面其疲劳强度可能有限。
[0044]柔性电极的性能和可靠性对能量收集效率和系统的使用寿命具有很大影响，因此，柔性电极为压电能量收集系统的重要元件。在一种实施例中，可采用织物作为电极，该织物例如是可伸缩的导电性织物，该织物例如是非纺织的，例如该织物是针织(knitted)织物、平针(plain knitted)织物。图5描述了具有可拉伸导电性织物电极的压电能量收集层，在压电元件的顶部和底部均采用织物电极。织物电极是由中节状聚氨酯(复丝)纱线(segmented polyurethane (multifilament) yarns)和包银聚酸胺(复丝)纱线(silvercoated polyamide (multifilament) yarns)针织成的弹性导电性织物电极。针织织物电极可增强电荷的收集，因而可以提高发电装置的能量转换效率。
[0045]图6 (a)和图6 (b)分别描述了针织织物电极正面和反面的扫描电子显微镜图像。针织织物电极在正面(图6(a))和反面(图6(b))上具有不同的表面结构。其中每一面上导电纱线的线圈密度分别为1210圈/cm2和590圈/cm2。考虑到该织物电极的正面具有较大的线圈密度，一方面可以增加电极与压电层的接触面积，另一方面可以提高压电能量收集系统的挠曲电效应。图6(c)示出了单独一个针织织物电极的横截面的SEM图像，虚线圆形区域表示复合纱线的圈，该复合纱线由聚氨酯纱线和银包覆的纱线加捻制成。单独一个的织物电极的厚度小于I毫米，如由图6(c)中的电子扫描显微镜横断面视图所示。图6 Cd)示出了复合导电纱线的结构示意图，图中示出了高伸缩性的中节状聚氨酯纱线被包银的聚酰胺长丝纱卷绕，此织物电极由复合材料导电纤维针织而成。织物电极由具有高拉伸率的中节状聚氨酯纱线芯和缠绕该纱线芯的包银聚酰胺纱线(聚酰胺基导电银线)组成。即使织物在拉伸超过60%时，平针织物结构的圈状结构能够使纤维应变显著减少到小于1%。此合成织物具有非常优异的拉伸性能(最大可拉伸到250%)以及低杨氏模量(0.23MPa)。当施加0.2MPa压力时，柔性织物电极的电阻大约为30-33欧姆，并保持相对稳定(循环测试2727次)。物电极具有非常低的方块电阻，经测试，该织物电极的方块电阻为37毫欧/ 口(!1^/square)，当该织物电极双向拉伸10%时，其方块电阻变化为42毫欧/ 口。因此本发明所提出的织物电极能够有效提高疲劳寿命以确保能量的提取。
[0046]本发明的压电元件产生的电能为正压电效应和挠曲电效应所致的电能的总和，在电阻负载为430K时，柔性可穿戴式的压电能量收集系统所产生的典型的电压和电流值分别达3.4V和峰值电流4.4 μ A，所获得的能量密度约为0.llmW/cm3。
[0047]在一实施例中，压电能量收集系统还包括至少一个临时能量存储器件，优选为电容器，优选进一步包括调节电路例如整流电路、阻抗匹配电路。
[0048]基于压电能量收集元件的收集系统所产生的能量输出通常是不连续的，并且由加载和卸载过程导致包含有正负方向的部分，为此，设计两级的收集电路。本发明所提出的电路主要由三部分组成，分别示于图10 (a)至图10 (C)。第一部分是压电发电装置，如在图10 (a)中描述的，该压电发电装置包括电功率发生装置20，和极性电容器21。第二部分是AC/DC转换器，将交流转换为稳定的直流，用于对那些需要直流电的可穿戴电子产品或无线传感器等提供电能。其高效地将交流转换为直流，可以提升系统的发电功率。图10 (b)是柔性可穿戴式的压电能量收集系统的AC/DC转换器的示意图，该AC/DC转换器包括整流二极管22，四个二极管构成整流电路。第三部分参见图10 (c)包括临时储存器23、DC/DC转换器和阻抗匹配电路。如果所产生的电能不能被充进电池30，本发明利用临时存储电容器C0暂时存储电能供后续使用。DC/DC转换电路包括P沟道增强型M0SFET24、电阻25、二极管26、电阻27、电感28和滤波电容器29用于优化整流电路的输出电压，例如升压/降压变换。为了最大限度地提高功率传输，本发明采用了阻抗匹配电路(由电阻25、二极管26、电阻27组成)，阻抗匹配电路可以使发电装置整体的阻抗与目标负载匹配以维持在最佳的运作状态。图10 (c)中，标记30指代电池或超级电容器。
[0049]本发明的压电能量收集系统可包括其他附加电路，比如检测电路、用于操控的电子开关等。
[0050]此外，本领域技术人员容易理解，上述各特征可根据需要结合起来使用。
[0051]本发明所描述的压电元件、压电能量收集系统的实施例，相对于传统技术实践具有多项优点。第一，由于在PVDF或其共聚物中加入了含金属的纳米材料比如金属纳米线，PVDF或其共聚物由α相转变为β相，从而具有压电特性，故不再需要传统的在中等温度下实施由电极化和机械拉伸两者组成的极化过程。这使得压电元件的制造过程大为简化、经济；
[0052]第二，压电材料的纳米结构会改变压电元件中弹性体材料的特性和性能，这将提高材料的压电性能和机电耦合系数，更高效率地将机械能转化为电能，故可从人体活动或环境收集更多的能量；
[0053]第三，由于正压电效应和挠曲电效应的高效组合(例如由齿形结构层所致)得到了实现，所述压电元件可提供更高的功率密度。由此，本发明的压电能量收集系统可以产生更高的输出功率，推算约为1mW的量级；
[0054]第四，本发明的压电元件、压电能量收集系统是柔软的、可穿戴式的、生物相容的，可用于智能纺织品(例如衣物、佩戴的饰品、鞋帽)和可穿戴的电子产品。可适应于各种环境，从其中捕获能量，比如海洋潮汐能源，人体体内能量等；
[0055]第五，本发明的压电元件、压电能量收集系统用新型0-3/1-3型复合材料制造，并且采用非纺织的织物电极，非纺织的织物电极是全纤维的结构，具有优异的可达250%的拉伸性，且由于使用(柔性的)新型0-3/1-3型复合材料，所以，疲劳寿命得以显著提高，可达
I,000, 000 次以上；
[0056]第六，本发明的压电元件、压电能量收集系统具有结构简单、重量轻、制造技术简单的特点，这有利于高效的制造，制成一致的形状，并显著地降低了成本。
[0057]本发明所描述的压电元件、压电能量收集系统可以应用于许多领域，如作为电源用于可穿戴的电子产品、传感器、户外运动、实地考察、火炮、无人机、生物医学和人类活动的监测等。
[0058]本发明提出了一种独特的压电元件，由于压电元件具有弹性体和压电材料这两种特性，它是柔软和耐疲劳损伤的，尤其适合于服装，从人体的运动中收集能量。
[0059]通过从低频振动或人体动作捕获能量，本发明的柔性可穿戴式的压电能量收集系统可以为低功耗(便携式)电子产品、无线设备终端提供应急电源，省去不断充电或更换电池的麻烦。比如，集成了压电能量收集系统的鞋类系统可以为压力传感器和低功耗蓝牙设备提供电源，以监测糖尿病或运动员的脚的压力变化。本发明的系统发电能力估计为10mW的规模，足以实时监测重要信号、步态、姿势和活动。
【权利要求】
1.一种压电元件，由片状或块状弹性体组成，所述弹性体中嵌入有压电纳米材料例如含金属的纳米材料，使得所述弹性体呈现压电特性。
2.根据权利要求1所述的压电元件，其中，所述弹性体的两面贴设有片状或块状的柔性电极，用于收集并传导所述弹性体产生的电能。
3.根据权利要求1或2所述的压电元件，其中，所述弹性体中嵌入含金属的纳米材料形成的压电层是由压电聚合物制成的压电薄膜，其中嵌入一种或多种金属纳米线，所述压电聚合物例如是聚偏氟乙烯、偏氟乙烯共聚物、或聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物，所述金属纳米线优选为银质或铜质纳米线。
4.根据权利要求1或2所述的压电元件，其中，所述弹性体中嵌入含金属的纳米材料形成的压电层是由压电聚合物制成的纳米纤维，其中嵌入一种或多种金属纳米线，所述压电聚合物例如是聚偏氟乙烯、偏氟乙烯共聚物、或聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物，所述金属纳米线优选为银质或铜质纳米线。
5.根据权利要求1或2所述的压电元件，其中，所述弹性体中嵌入含金属的纳米材料形成的压电层由包含PDMS或PVDF和压电/铁电氧化物纳米粒子的0-3型复合材料制成，所述压电/铁电氧化物例如是氧化锌或钙钛矿氧化物。
6.根据权利要求1或2所述的压电元件，其中，所述弹性体中嵌入含金属的纳米材料形成的压电层是由PDMS或PVDF和压电/铁电氧化物纳米棒或纳米杆或纳米线制成的1-3型复合材料，所述压电/铁电氧化物例如是氧化锌或钙钛矿氧化物。
7.根据权利要求2所述的压电元件，其中，所述柔性电极为导电性织物电极，所述织物例如为非纺织的织物、针织织物、平针织物。
8.根据权利要求7所述的压电元件，其中，所述导电性织物电极由聚氨酯纱线和包银聚酰胺纱线制成。
9.根据权利要求8所述的压电元件，其中所述织物电极由高度可伸缩的中节状聚氨酯复丝纱线芯和卷绕所述纱线芯的包银聚酰胺复丝纱线织成。
10.根据权利要求7所述的压电元件，其中，所述导电性织物电极在所述压电元件的正面和反面上具有不同的表面结构，例如所述正面和反面上导电纱线的线圈密度分别为1210圈 /cm2 和 590 圈 /cm2。
11.根据权利要求2或7-10中任一项所述的压电元件，其中，所述柔性电极的外侧分别设有绝缘层。
12.根据权利要求1或2所述的压电元件，其中，所述压电元件被配置为d33模式或d31模式。
13.—种压电能量收集系统，包括根据权利要求2至12中任一项所述的压电元件，所述压电能量收集系统还包括至少一个附设在所述柔性电极中至少一个之上与所述压电元件相对的一侧上的、在外部压力作用下可使所述压电元件产生局部变形的结构层。
14.根据权利要求13所述的压电能量收集系统，其中，所述结构层是一面为齿形的结构层，优选为齿形弹性体，具有齿形的一面朝向所述压电元件。
15.根据权利要求13或14所述的压电能量收集系统，还包括至少一个临时能量存储器件，优选为电容器，优选进一步包括调节电路例如整流电路、阻抗匹配电路。
16.一种压电能量收集系统，包括片状或块状压电元件，所述压电元件的相对的两个表面上贴设有片状或块状电极用于传导所述压电元件产生的电能，所述压电能量收集系统还包括至少一个附设在所述电极中至少一个之上与所述压电元件相对的一侧上的、在外部压力作用下可使所述压电元件产生局部变形的结构层。
【文档编号】H02N2/18GK104167955SQ201310182016
【公开日】2014年11月26日 申请日期:2013年5月16日 优先权日:2013年5月16日
【发明者】陶肖明, 陈淞, 曾炜, 陈王丽华, 蔡绍康 申请人:香港理工大学