[發明專利]一種基于層間電場效應的柔性納米發電機設計方法

有效

• 申請號: 201911305455.3
• 申請日: 2019-12-18
• 公開（公告）號: CN111082701B
• 公開（公告）日: 2023-02-28
• 發明（設計）人: 李銀輝;頊建樂;蘇曉曉;梁琨;李朋偉;胡杰;李剛
• 申請（專利權）人: 太原理工大學
• 主分類號: H02N2/18
• 分類號: H02N2/18;H02N2/00
• 代理公司: 太原科衛專利事務所(普通合伙) 14100
• 代理人: 朱源;曹一杰

本發明屬于柔性壓電納米發電機結構設計領域，具體涉及一種基于層間電場效應的柔性納米發電機設計方法。所述方法包括如下步驟：（1）壓電相納米材料的制備；（2）BTO/有機聚合物柔性復合壓電薄膜的制備；（3）基于層間電場效應的多層復合壓電薄膜的制備；（4）基于層間電場效應的多層復合薄膜納米發電機的制備。該方法具有工藝簡單、實用性強、電學性能提高明顯，效率高等優點；如總厚度相同的PVDF/BTO復合薄膜，四層的納米發電機輸出電壓是一層的納米發電機輸出電壓的3~5倍，是一種制備高電學輸出的柔性復合壓電薄膜基納米發電機的理想方法。

技術領域

本發明屬于柔性壓電納米發電機結構設計領域，具體涉及一種基于層間電場效應的柔性納米發電機設計方法。

背景技術

隨著電子科學的快速發展，可穿戴電子產品不斷問世，電子設備正朝著微型化和柔性化的方向發展。傳統的電池供電方式續航時間短、剛性、需要頻繁的充放電等問題嚴重制約了柔性電子設備的發展。壓電納米發電機由于其機電轉換特性，可以使機體運動、機械振動等機械能直接轉換為電能，且制造相對容易，有望在生物醫療檢測、自供電微電子器件、傳感器等領域得到廣泛的應用。

柔性復合壓電器件的構建通常是將壓電相材料與柔性基底材料復合，以實現柔性壓電輸出。然而，傳統的復合柔性納米發電機的電學輸出性能較差，限制了柔性納米發電機的實際應用。胡澎浩等人在專利（CN 108530806 A）中公開了一種利用逐層旋涂熱處理工藝制備了BTO/PVDF-PVDF雙層柔性納米發電機，柔性納米發電機的輸出電壓為7.5 V。王聞宇等人利用靜電紡絲的方法制備了PAN/BTO柔性納米壓電布，所制備的柔性納米壓電發電機的電壓輸出為2.0 V。（王聞宇，等，天津工業大學學報，2017，3: 22-27）；在發明人前期的工作中，為提高柔性納米發電機的電性能輸出，在BTO/PDMS柔性納米發電機中添加炭黑C，提高納米復合薄膜電荷傳輸能力，制備的BTO/PDMS/C柔性納米復合薄膜的電壓輸出達到7.4V（Luo C. etal, Energy Technol., 2018, 6: 922-927）。盡管對單一的壓電復合薄膜做了改性處理，但是其電壓輸出效能仍有待進一步提高。

發明內容

本發明的目的在于提供了一種基于層間電場效應的多層柔性復合納米發電機的設計方法，該方法具有工藝簡單、實用性強、電學性能提高明顯（如總厚度相同的PVDF/BTO復合薄膜，四層的納米發電機輸出電壓是一層的納米發電機輸出電壓的3~5倍）、效率高等優點，是一種制備高電學輸出的柔性復合壓電薄膜基納米發電機的理想方法。

本發明是采用以下技術方案實現的：一種基于層間電場效應的柔性納米發電機設計方法，包括如下步驟：（1）壓電相納米材料的制備：利用水熱法制備BaTiO₃納米粒子；將鈦酸四丁酯、乙醇在酸性環境下混合，在酸性條件下保證鈦酸四丁酯不發生水解，得到TiO₂凝膠；再將醋酸鋇與TiO₂凝膠混合，調控Ba與Ti的原子比，并用強堿作為該過程的中和劑，中和過量的酸，保證反應的順利發生，在150~300 °C下反應2~8 h，得到BTO分散液溶液，過濾烘干后得到BTO納米粒子粉末；

（2）BTO/有機聚合物柔性復合壓電薄膜的制備：將BTO納米粒子粉末分散于有機溶劑中，得到BTO分散液，采用有機溶劑可以有利于有機聚合物溶解；將有機聚合物溶解于BTO分散液中，并在真空干燥箱中靜置脫除氣泡，可以有效的避免因為旋涂溶液中的小氣泡而引起復合薄膜缺陷，制得BTO/有機聚合物旋涂液；或者將BTO納米粒子粉末分散于有機聚合物中，同樣制得BTO/有機聚合物旋涂液；用滴管吸取上述BTO/有機聚合物混合液或BTO分散液，并將其滴在玻璃片上，在勻膠機上以一定的轉速和加速度進行旋涂，然后將旋涂后的玻璃片置于加熱板上干燥，在加熱板上加熱一段時間，使有機溶劑充分揮發；將復合壓電薄膜從玻璃上剝離，得到BTO/有機聚合物柔性復合壓電薄膜；所述有機溶劑采用N,N-二甲基甲酰胺DMF或二甲亞砜DMSO等；有機聚合物采用聚偏氟乙烯PVDF、聚丙烯腈PAN或聚二甲基硅氧烷PDMS等；