[發明專利]一種壓電薄膜、壓電納米發電機及其制備方法

有效

• 申請號: 201911307619.6
• 申請日: 2019-12-18
• 公開（公告）號: CN111063795B
• 公開（公告）日: 2023-01-17
• 發明（設計）人: 王云明;余兆涵;周華民;黃志高;張云;李德群;鄭嘉琦
• 申請（專利權）人: 華中科技大學鄂州工業技術研究院;華中科技大學
• 主分類號: H10N30/092
• 分類號: H10N30/092;H10N30/057;H10N30/857;H10N30/85;H10N30/30;H02N2/18
• 代理公司: 北京眾達德權知識產權代理有限公司 11570
• 代理人: 劉杰

本發明提供一種壓電薄膜的制備方法，該制備方法包括如下步驟：(1)將羧甲基纖維素鈉、壓電高分子材料、分散劑和導電態聚苯胺與濃鹽酸混合，混合均勻；然后將pH值調節至1～4；(2)將步驟(1)得到的混合物經液氮冷凍或干冰/乙醇浴冷凍至完全凝固，然后冷凍干燥，得到氣凝膠；(3)將步驟(2)得到的氣凝膠升溫加壓成薄膜；(4)將步驟(3)得到的薄膜在液氮中降溫，進行極化，得到所述壓電薄膜。本發明所述方法增強了壓電納米發電機的導電性，減少了在能量轉換過程中因壓電納米發電機的內阻產生的損耗，進一步提高了壓電納米發電機的能量轉換效率。

技術領域

本發明屬于電熱材料技術領域，具體涉及一種壓電薄膜、壓電納米發電機及其制備方法和應用。

背景技術

隨著科技的發展，環境污染問題日趨嚴重，發展新型的可再生能源迫在眉睫。近年來，納米發電機由于其能夠將振動、風能、摩擦等普遍存在于自然界中的能量收集起來并轉換成可被利用的電能，并具有能量轉換效率高、體積小、質量輕等優點，受到了廣泛的關注。

目前，最常見的納米發電機包括壓電納米發電機、摩擦電納米發電機和熱釋電納米發電機。其中壓電納米發電機自2006被提出后，由于其結構簡單、靈敏度高，取得了空前的發展，逐漸在軌道交通、人工智能、醫療健康等領域取得了顯著成績，在為便攜式電子設備進行能源供應等方面獲得了非常廣泛的應用。

具體而言，以聚偏二氟乙烯和三氟乙烯為代表的壓電高分子材料，由于其優異的壓電性能和柔韌性，將成為柔性壓電納米發電機的最佳選擇。然而，如何通過壓電高分子材料和結構的設計，進一步減少壓電納米發電機的能量損耗，提高壓電納米發電機的能量轉換效率，則是當前研究的重點。

發明內容

鑒于上述問題，本發明提供了一種壓電薄膜、壓電納米發電機及其制備方法和應用。具體而言，本發明公開了一種基于炭化技術的導電態聚苯胺的高性能壓電納米發電機的制備方法。所述方法通過高溫保壓使所述羧甲基纖維素鈉發生炭化，形成微米尺寸的炭球和微孔，有效提高壓電薄膜的比表面積從而增強壓電納米發電機的導電性，減少了在能量轉換過程中因壓電納米發電機的內阻產生的損耗，進一步提高了壓電納米發電機的能量轉換效率。本發明所述壓電薄膜的制備方法簡單，性能優異，能夠用于大規模地、工業化地生產壓電納米發電機。

用于實現上述目的的技術方案如下：

本發明提供一種壓電薄膜的制備方法，該制備方法包括如下步驟：

(1)將羧甲基纖維素鈉、壓電高分子材料、分散劑和導電態聚苯胺與濃鹽酸混合，混合均勻；然后將pH值調節至1～4；所述方法中，該PH值為1～4能夠使得導電態聚苯胺表現出良好的導電性能；所述羧甲基纖維素鈉和壓電高分子材料能夠在PH值為1～4的條件下穩定存在；其中導電態聚苯胺為商購產品，購自武漢遠成共創科技有限公司，單號為164091。

(2)將步驟(1)得到的混合物經液氮冷凍或干冰/乙醇浴冷凍至完全凝固，然后冷凍干燥，得到氣凝膠；

(3)將步驟(2)得到的氣凝膠升溫加壓成薄膜；根據該步驟得到的薄膜經過了炭化，具有微米級別的炭球和多孔結構，如附圖1所示；這種多孔結構使得所述薄膜在外力作用下更容易發生形變，從而產生更大的壓電效應；此外，該炭球和內部孔洞的表面也會由于壓電效應和靜電感應作用積累電荷，從而進一步增強所述薄膜的壓電性能。

(4)將步驟(3)得到的薄膜在液氮中降溫，進行極化，得到所述壓電薄膜；該步驟的極化過程增大了所述薄膜中的壓電性能優異的β相的含量。

在一個實施方案中，本發明所述的壓電薄膜的制備方法中，所述步驟(1)中，所述羧甲基纖維素鈉、所述壓電高分子材料和所述分散劑的質量分數比為4～6:4～6:0.5～1.5。

在一個實施方案中，本發明所述的壓電薄膜的制備方法中，所述步驟(1)中，所述羧甲基纖維素鈉、所述壓電高分子材料和所述分散劑的質量分數比為5:5:1。