[發明專利]基于壓電-摩擦效應的高電學性能納米發電機的制備方法

有效

• 申請號: 201310376298.1
• 申請日: 2013-08-27
• 公開（公告）號: CN103490005A
• 公開（公告）日: 2014-01-01
• 發明（設計）人: 張文棟;薛晨陽;丑修建;劉俊;熊繼軍;李俊漾;張強;高立波;海振銀;邢燕婷;張海霞
• 申請（專利權）人: 中北大學;北京大學
• 主分類號: H01L41/33
• 分類號: H01L41/33;H01L41/37;H02N1/04;B82Y30/00;B82Y40/00
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源

技術領域

本發明涉及微納米科學與微能源技術領域，具體是一種基于壓電-摩擦效應的高電學性能納米發電機的制備方法。

背景技術

微納米發電機是近幾年來發展速度飛快的一種小體積、大功率的微能源設備，它能收集周圍環境中微小的振動機械能并轉變為電能，來為其他納米器件，如傳感器、探測器等提供能量。微納米發電機的發明不僅為實現能源系統的微型化帶來了可能，更重要的是，對于實現具有完全無線、可生物植入以及長時期甚至終生無需照管的納米或微電子器件，微納米發電機提供了一種理想的電源系統。

目前，最常見的微納米發電機有利用壓電效應制成的微納米發電機和利用摩擦效應制成的微納米發電機。其中，利用壓電效應制成的微納米發電機的輸出電壓不高，僅有3V左右，并且該類發電機的尺寸都較大；而利用摩擦效應制成的微納米發電機的輸出電流偏低，并且其結構設計還有提高的空間。

發明內容

本發明的目的是為了解決現有微納米發電機存在的上述問題，而提供一種基于壓電-摩擦效應的高電學性能納米發電機的制備方法。本發明方法是利用壓電效應與摩擦效應結合來制備小面積、高輸出電壓的納米發電機。本發明方法是將CNT顆粒和壓電顆粒混入液態PDMS制成復合薄膜，在復合薄膜表面用微加工的方法制作具有規則的微納凹凸結構，最后將復合薄膜電極化并夾設電極即可。

本發明是通過以下技術方案實現的：

一種基于壓電-摩擦效應的高電學性能納米發電機的制備方法，包括如下步驟：

1）制備可塑性聚合物：取CNT顆粒（碳納米管）和壓電顆粒按質量比為1:10～1:14混合均勻，然后將混合顆粒放入酒精中超聲處理15～20min、再放入干燥箱內干燥1.5～2.0h，接著將干燥后的混合顆粒（圖2為混合顆粒的SEM圖，從圖中可以看出壓電顆粒與碳納米管混合均勻，兩者構成了類似“葡萄串”的結構，加快電子轉移速率）添加到液態PDMS（聚二甲基硅氧烷，它是一種具有不同聚合度鏈狀結構的有機硅氧烷混合物，聚二甲基硅氧烷通常是由主劑與硬化劑以質量比10：1比例混合均勻，并利用抽真空的方式使混合液中的氣泡浮至表面并破裂）中攪拌均勻并抽真空去除氣泡，混合顆粒和液態PDMS按質量比為1：6～1:8混合，最后即得到了可塑性聚合物；

2）制備具有微納凹凸結構的復合薄膜：將步驟1）中制得的可塑性聚合物置于表面設有微納凹凸結構的基板上（表面設有微納凹凸結構的基板是納米發電機制備領域中常見的裝置），然后再用流延盒從基板上方均勻拉過（流延盒是一種控制成膜厚度及平整度的現有公知裝置，主要由螺旋測微儀控制好厚度后，將流延盒從基板上方均勻拉過，便可得到了厚度均勻、平整度較高的薄膜），使基板上的可塑性聚合物形成厚度均勻、表面平整的薄膜（優選厚度為0.5mm-1.0mm的薄膜），接著將基板置于65～75℃的干燥箱中干燥1.3～1.7h，干燥后脫模即得到了具有微納凹凸結構的復合薄膜；

3）復合薄膜（1）的極化：將步驟2）中得到的具有微納凹凸結構的復合薄膜浸沒于盛有酒精的容器中超聲清洗至少三次，取出后在復合薄膜兩面貼上鋁箔作為電極并置于油浴中（所述的油浴為常溫的硅油），在兩片鋁箔上加電壓對復合薄膜極化15min；當復合薄膜的厚度小于等于1mm時，加的電壓為3kv，當復合薄膜的厚度大于1mm時，加的電壓與復合薄膜的厚度成正比，復合薄膜的厚度每增加1mm、所加的電壓增加3kv（即：復合薄膜厚度為2mm時，所加電壓為6kv；復合薄膜厚度為2.5mm時，所加電壓為7.5kv；復合薄膜厚度為3mm時，所加電壓為9kv；復合薄膜厚度為3.5mm時，所加電壓為10.5kv；復合薄膜厚度為4mm時，所加電壓為12kv…，以此類推）；極化完成之后脫去鋁箔即得到了被極化的復合薄膜；

4）納米發電機的制備：在復合薄膜設有微納凹凸結構的一面上設有金屬層、金屬層上設有ITO/PET導電膜（設置金屬層能起到增大摩擦的作用，提高電壓的輸出），在復合薄膜未設有微納凹凸結構的一面上設有ITO/PET導電膜，最后即制備得到了所述的基于壓電-摩擦效應的高電學性能納米發電機，其結構如圖1所示。ITO/PET導電膜是指采用磁控濺射技術，在PET基底材料上濺射透明氧化銦錫(ITO)導電薄膜鍍層并經高溫退火處理得到的高技術產品。ITO/PET導電膜能使摩擦和壓電效應產生的電荷有效傳遞。

本發明納米發電機是基于摩擦電電勢的充電泵效應和壓電材料極化效應，經過基于納米粒子的材料表面改性和摻雜技術，當外力施加于此結構的材料時，摩擦產生的電與壓力產生的電同時作用得到了具有高電壓輸出的納米發電機。