一种可调节响应带宽的纳米纤维声电器件

本发明涉及声电转化，尤其涉及一种可调节响应带宽的纳米纤维声电器件。

背景技术：

1、压电纳米纤维膜可将声波转化为电能，因而在声音探测和能量转换方面有巨大的应用潜力。压电纳米纤维膜作为声传感器，因其具有高灵敏度和较宽频谱的特征，可应用于声音监测、录音和信息识别等。另一方面，声电纳米纤维的一个重要特征是在高声强(即噪声)作用下产生大电输出。这使得它们能够将噪声转换为电能。由于噪音是一种白色污染，对日常生活、人民健康、工业生产和环境都有很大影响，因此将噪音转化为电力不仅可以消除噪音污染，而且还可以带来额外的电力。

2、自2017年，lang等人(lang,c.；fang,j.；shao,h.；ding,x.；lin,t.,high-sensitivity acousticsensorsfromnanofibrewebs.nat.commum.2016,7,11108)报道了静电纺pvdf纳米纤维膜具有声电转换性质以来，人们开展了对静电纺纳米纤维声电转换性质的一系列研究，发现纳米纤维的声电输出远高于其它材料，它们在声音检测、信息传输和处理、医疗保健、环境监测和发电等方面有着广阔的应用前景。纳米纤维尤其适合将高强度声音(即噪音)转换为大输出电能，一个单元纳米纤维声电器件在噪声作用下可产生高达98v的电压(shao,h.；wang,h.；cao,y.；ding,x.；bai,r.；chang,h.；fang,j.；jin,x.；wang,w.；lin,t.,single-layerpiezoelectricnanofibermembranewithsubstantiallyenhancednoise-to-electricity conversionfromendogenoustriboelectricity.nanoenergy2021,89,106427)，有望将噪声这一白色污染转化成有价值的电能。之前报道的纳米纤维声电器件多由纳米纤维膜和一侧喷金的塑料薄膜组成。塑料薄膜为电极，一侧的镀金层起电荷收集作用，塑料膜上往往要开一个或数个孔，使孔内的纳米纤维直接与声音作用，进行能量转换。然而，这些纳米纤维装置的响应频率范围较窄，通常在100-400hz，这限制了它们吸收和转换其他频率的声音，这降低了器件对声音的利用率和电输出量。

3、一些专利公开了基于压电聚合物薄膜和压电纳米纤维的声电转换器件，如专利(申请号：201911210394.2公开号：cn110768579a)和专利(申请号：201821506464.x公开号：cn208890683u)公开了pvdf薄膜声发电机，在声学共振腔作用下，声波的汇集使pvdf薄膜产生振动，发生形变，从而产生电能。专利(申请号：201420682772.3公开号：cn204145334u)公开了将压电与电磁相结合，提高了声电输出的方法，在声学共振腔内，pvdf压电薄膜利用振子在磁场里往复移动，切割磁感线进行发电。专利(申请号：201910571819.6公开号：cn110296755b)和专利(申请号：201910571842.5公开号：cn110350078b)公开了采用静电纺pvdf纳米纤维膜作为压电层，单侧与带有空腔的电极结合，组装成柔性声电转换装置。

4、其它专利公开了基于摩擦电原理的声电转换装置，如专利(申请号：201510483373.3公开号：cn105208497a)和专利(申请号：201410044942.x公开号：cn104836472a)公开了由声学共振腔，摩擦介质和电极组成的声电器件，这些声电转换装置需要共振腔对声音进行放大，因而占用较大的体积。专利(申请号：201510024832.1公开号：cn105871249b)公开了一种带有微通孔的金属电极与表面具有微结构的高分子材料组成的声电转换装置，电极上的微通孔和高分子材料的微结构增大了两者的接触面积，因而提高了声电转换效率和声电输出。专利(申请号：202010581078.2公开号：cn111641347b)提供了一种柔性声电转换装置，用静电纺p(vdf-trfe)纳米纤维膜与导电织物的摩擦效应，可将声能转换为电能，避免了使用声学共振腔，具有便携性和高电输出性能。

5、然而，上述专利均未涉及声电转换的频率响应范围，更缺少对声音响应频率的调节方法，这使得这些器件的应用有很大的局限性，因为不同声源所产生的声音频率有所不同，而只有声电器件的音频响应与声源的频率相匹配时，才能表现出有效的声电转换效果，因此，调节声电器件的频率有助于提高对声音的利用率，从而增加器件的使用范围。鉴于此，我们提出一种可调节响应带宽的纳米纤维声电器件。

技术实现思路

1、本发明的目的在于克服现有技术的不足，适应现实需要，提供一种可调节响应带宽的纳米纤维声电器件，以解决现有的纳米纤维声电器件带宽较窄，多在100-400hz之间，限制了它们的广泛应用。本发明提供了一种可调节响应带宽的纳米纤维声电器件，由纳米纤维薄膜和两层带有狭缝的塑料薄膜电极组成，纳米纤维膜夹于双层塑料薄膜电极之间。器件的响应带宽可通过纳米纤维与电极狭缝排列方向来调节，当取向纳米纤维与狭缝垂直排列时，带宽可提高至100-900hz，这提高了对多频噪音的利用率和电输出。

2、为了实现本发明的目的，本发明所采用的技术方案为：设计一种可调节响应带宽的纳米纤维声电器件，包括两个塑料薄膜电极和一个压电聚合物纳米纤维薄膜，所述压电聚合物纳米纤维薄膜夹设于两个所述塑料薄膜电极之间；每个塑料薄膜电极中间布置有若干呈贯穿结构的狭缝，通过所述狭缝暴露的所述压电聚合物纳米纤维薄膜在声波作用下产生振动形变，从而产生电能；所述压电聚合物纳米纤维薄膜中的纳米纤维为取向排列和/或随机取向的堆积结构；所述塑料薄膜电极一侧设有金属层，用于收集电能；所述金属层与压电聚合物纳米纤维薄膜接触形成声发电机。本发明提供了一种可调节响应带宽的纳米纤维声电器件，采用取向的纳米纤维膜和带有狭缝的塑料膜电极，通过调整压电纳米纤维和电极狭缝之间的排列方向，来增加器件的响应带宽。当纳米纤维与狭缝垂直排列时，这些器件的带宽可从100-400hz增大到100-900hz，所产生的电能可用于驱动各种微电子器件和存储于电池和电容器中。

3、上述技术方案中，所述纳米纤维由pvdf、p(vdf-trfe)、pla、聚酰亚胺和pan等压电聚合物制成，纳米纤维的直径小于1000nm，厚度为30-300μm。

4、上述技术方案中，所述纳米纤维也可由复合材料制成，如含有无机压电材料，如石英(sio2)、钛酸钡、锆钛酸铅、锆钛酸钡和钛酸钡钙颗粒等，无机压电材料的直径为20-2000nm，含量为0.1-30％(无机材料与纤维材料质量之比)。

5、上述技术方案中，所述压电聚合物纳米纤维薄膜由静电纺丝方法，或离心纺丝方法、或湿法纺丝方法，或熔融静电纺丝方法制备等。当使用静电纺方法时，纳米纤维膜可以直接使用；当利用离心纺和湿法纺时，所制备的纳米纤维需要极化处理，使纳米纤维表现出压电性能。当需要极化处理时，温度为30-100℃，施加电场为0.1-10kv/cm，极化时间为2-20小时。

6、上述技术方案中，所述塑料薄膜电极的基材为塑料，如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚乙烯、尼龙和聚氯乙烯等，或纸张，或金属(如铝、铜、不锈钢箔等)。当使用塑料或纸质基材时，基材的厚度为10-1000μm，当直接使用金属基材时，基材的厚度为10-500μm。

7、上述技术方案中，所述金属层由磁控溅射、或热蒸镀或化学无电沉积方法制成，金属材料为金、银、铂、铜和镍等，金属涂层的厚度为50-1000nm。

8、上述技术方案中，所述塑料薄膜电极上狭缝由激光切割或其它方法形成，狭缝宽度为0.1-10mm，长度为任意。

9、上述技术方案中，所述声发电机通过细线缝合固定，或胶水粘结，或塑料铆钉固定。

10、上述技术方案中，所述金属层由磁控溅射和/或热蒸镀和/或化学无电沉积方法制成,金属材料为金、银、铂、铜和镍其中一种多种，金属涂层的厚度为50-1000nm。

11、上述技术方案中，所述取向排列包括与狭缝垂直排列和/或与狭缝平行排列，当取向纳米纤维与狭缝垂直排列时，带宽最大，当取向纳米纤维与狭缝平行排列时带宽较小。

12、上述技术方案中，所述声发电机可用于声传感和声发电，如记录声音，驱动各种微电子或者将能量存储于锂离子电池和电容器中。

13、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：1.结构简单，仅由三层薄膜组装而成；2.由高度取向纤维和狭缝电极制成的声电器件可以调节带宽，最高显示出100-900hz的带宽；3.设备可产生52.72v(功率密度为127mw/m2)，足以开发用于声传感器，驱动各种微电子或者将能量存储于锂离子电池和电容器中。

14、本发明的优点还在于，通过调节取向纤维与狭缝的排列方式，来调节器件的带宽。当取向纤维与狭缝垂直排列时，狭缝的振动受到垂直排列的纳米纤维的限制，因而需要较高频率的声波才能够使器件产生共振，狭缝的振动对纤维产生了拉伸，引起形变，从而产生电能。由于实际的声源往往由多个频率的声音来组成的，带宽的扩大，可使器件将更多频率的声波转换为电能，因而提高了对声音的利用率，从而产生更大的电能。