[發明專利]一種基于石墨烯復合材料的自供電天線系統及制作方法

有效

• 申請號: 202010416002.4
• 申請日: 2020-05-16
• 公開（公告）號: CN111585021B
• 公開（公告）日: 2021-02-19
• 發明（設計）人: 劉歡;薛凱豪;白民宇;劉衛國;韓軍;趙季杰
• 申請（專利權）人: 西安工業大學
• 主分類號: H01Q1/50
• 分類號: H01Q1/50;H02N1/04;H02N1/00;H02J7/32
• 代理公司: 西安智大知識產權代理事務所 61215
• 代理人: 何會俠

1.一種基于石墨烯復合材料的自供電天線系統，其特征在于，包括發電模塊、儲能模塊(4)和天線模塊(5)；所述發電模塊包括相對貼合并一端固定在儲能模塊(4)上形成懸臂梁結構的正極片層(1)和負極片層(2)重疊而成的雙層結構，還包括最下面一個負極片層(2)背面組裝的質量塊(3)，其中制備正極片層(1)中石墨烯薄膜所使用的石墨稀溶液由二維石墨烯鱗片添加到無水乙醇中超聲震蕩而成；發電模塊通過正極片層(1)和負極片層(2)兩端電極引出導線與儲能模塊(4)連接；發電模塊通過正極片層(1)與負極片層(2)接觸分離起電和摩擦起電兩種機制共同作用產生電流，并通過正極片層(1)和負極片層(2)連接導線傳輸至儲能模塊(4)，進而為整個天線系統供電；

所述正極片層(1)的結構為正極基板(1-1)和一層附著在正極基板(1-1)上的石墨烯薄膜(1-2)組成；負極片層(2)的結構為負極基板(2-1)和一層附著在負極基板(2-1)上的摻雜有堿金屬鹽的碳納米管薄膜(2-2)組成；儲能模塊(4)由三維石墨烯超級電容器和電源管理與控制模塊構成，天線模塊(5)由金屬片表面貼合各向同性三維石墨烯構成。

2.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯復合材料的自供電天線系統，其特征在于，所述發電模塊根據需要制備若干基本發電單元組合使用。

3.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯復合材料的自供電天線系統，其特征在于，所述正極片層(1)和負極片層(2)的厚度均為50-500μm。

4.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯復合材料的自供電天線系統，其特征在于，所述負極片層(2)的表面附著的碳納米管薄膜(2-2)加入堿金屬鹽后調節的碳納米管功函數的范圍為3eV-4.74eV。

5.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯復合材料的自供電天線系統，其特征在于，所述堿金屬鹽為氯化鈉或氯化鉀。

6.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯復合材料的自供電天線系統，其特征在于，所述儲能模塊(4)中的三維石墨烯超級電容器的容量為130-245F/g。

7.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯復合材料的自供電天線系統，其特征在于，所述天線模塊(5)采用的金屬片材料為銅或鋁，金屬片上所貼合的各向同性三維石墨烯的厚度為9-30μm。

8.根據權利要求1所述的一種基于石墨烯復合材料的自供電天線系統，其特征在于，所述質量塊(3)的質量為0.1-1.2mg，采用密度大的材料。

9.權利要求1至8任一項所述的基于石墨烯復合材料的自供電天線系統的制作方法，其特征在于，包括以下步驟：

步驟一：制備正極片層；

1、取柔性絕緣材料作為正極片層(1)的正極基板(1-1)，并對正極基板(1-1)進行預處理：用激光鉆孔的方式在正極基板(1-1)上形成通孔，再通過電鍍銅實現通孔的金屬化，使用銅或鎢作為填充材料，完成預處理工作；

2、選擇機械剝離法、氧化還原法、化學氣相沉積法中的一種方法來制備二維石墨烯鱗片，隨后將二維石墨烯鱗片添加到無水乙醇中，在超聲清洗機中進行超聲震蕩60-90min，超聲結束后便得到所需要的石墨稀溶液；

3、利用滴涂法使正極基板(1-1)表面均勻地附著著一層石墨稀溶液，自然干燥后形成石墨烯薄膜(1-2)，便制備得到正極片層(1)；

步驟二：制備負極片層；

1、取柔性絕緣材料作為負極片層(2)的負極基板(2-1)，并對負極基板(2-1)進行預處理：用激光鉆孔的方式在負極基板(2-1)上形成通孔，再通過電鍍銅實現通孔的金屬化，使用銅或鎢作為填充材料，完成預處理工作；

2、選擇石墨電弧法、激光蒸發法、催化裂解法、化學氣相沉積法、模板法、水熱法、凝聚相電解生成法中的一種方法來制備碳納米管，隨后以聚氨基甲酸乙酯為表面活性劑將碳納米管分散于乙醇介質中形成碳納米管溶液，加入堿金屬鹽來調節碳納米管的功函數并制成所需要的碳納米管溶液；

3、通過滴涂法使負極基板(2-1)表面均勻地附著著一層摻雜了堿金屬鹽調節過功函數的碳納米管溶液，自然干燥后形成碳納米管薄膜(2-2)便制備得到負極片層(2)；

步驟三：制備質量塊；

取密度較大的材料作為質量塊(3)的材料，利用機械切割、拋光、打磨的物理方法將其制成尺寸質量符合要求、表面光滑的質量塊(3)；

步驟四：組裝發電模塊；

將所制得的正極片層(1)和負極片層(2)有薄膜一面面對面貼合組裝起來，得到基本發電單元；根據需要將若干基本發電單元并聯組合使用；隨后在最下面一片負極片層(2)的背面組裝一個質量塊(3)，構成發電模塊；

步驟五：制備儲能模塊；

采用改進的Hummers法制備氧化石墨烯薄膜，然后用油浴法制得還原石墨烯的水凝膠固體塊，并在冷凍干燥機中充分干燥后，制成塊體，再用壓片法制備成電極板，聚丙烯膜作為隔膜，氫氧化鉀溶液作為電解液，鋁箔作為集流體制得三維石墨烯超級電容器，隨后將三維石墨烯超級電容器和電源管理與控制模塊組合制得儲能模塊(4)；

步驟六：制備天線模塊(5)；

在金屬或者非金屬基片表面貼合三維石墨烯，構成天線模塊；

步驟七：連接各個模塊構成整個天線系統；

發電模塊通過正極片層(1)和負極片層(2)兩端電極引出導線與儲能模塊(4)連接，儲能模塊(4)上面連接天線模塊(5)，構成整個天線系統。