[發明專利]同時提升復合型發電機壓電和摩擦電換能效率的方法

有效

• 申請號: 202110998338.0
• 申請日: 2021-08-27
• 公開（公告）號: CN113708658B
• 公開（公告）日: 2023-08-08
• 發明（設計）人: 蘇元捷;李惟雄;謝光忠;陳春旭;劉佳;潘虹;黎威志;太惠玲;杜曉松;蔣亞東
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04;H02N2/18
• 代理公司: 成都點睛專利代理事務所(普通合伙) 51232
• 代理人: 敖歡

1.一種同時提升復合型發電機壓電和摩擦電換能效率的方法，其特征在于：納米發電機底電極上表面的納米復合薄膜是壓電陶瓷和聚合物的復合物，在其固化過程中借助外接摩擦納米發電機施加的交變電場，將壓電陶瓷納米顆粒沿著聚合物薄膜厚度方向進行定向排布，首尾相接組成納米棒，使聚合物基復合薄膜具有特定取向，從而在陶瓷填料的體積分數相同的情況下，同時提升復合薄膜的介電常數ε₃₃與壓電系數d₃₃；介電常數ε₃₃的增加將提升摩擦電式非接觸型換能效率，而壓電系數d₃₃的增加將提升壓電式接觸型換能效率；

將納米顆粒壓電材料填充散布到聚合物薄膜中，在其還未固化完成前，通過外接摩擦納米發電機輸出60-2200V、10-500Hz的交流電，在20℃-30℃的環境靜置12h-24h，使得納米顆粒沿電場線方向首尾相接排列成納米棒，以增加應力傳導效率；

納米發電機包括底部的下層亞克力板(4)，下層亞克力板(4)上的底電極(3)，和下層亞克力板分開一定間距的上層亞克力板(5)，支撐在下層亞克力板和上層亞克力板之間的支撐彈簧(6)，底電極(3)的上表面設有納米復合薄膜(2)，上層亞克力板下表面設有頂電極(1)，該納米發電機的上層亞克力板在外力作用下向下運動，使上層亞克力板的頂電極和下層亞克力板的底電極二者相接觸，在支撐彈簧作用下使二者分離，實現接觸分離過程中動態和準靜態全過程能量收集；動態是指在外力作用下，上下兩板在未接觸過程中進行摩擦電式能量收集，納米復合薄膜中的聚合物帶正電或者負電，電極感生出電性相反的電荷，在上極板靠近和遠離聚合物薄膜的過程中，感生的自由電荷在上下極板間轉移，產生摩擦電輸出；準靜態是指上下電極接觸后繼續擠壓，在接觸擠壓過程中薄膜中的聚合物和陶瓷通過壓電效應產生壓電輸出，進行壓電能量收集；

復合薄膜壓電極性方向與其摩擦電極性方向一致，使輸出能量在外電路中得到疊加，實現對復合式發電機動態及準靜態全過程全覆蓋式能量收集效率的同時提升。

2.根據權利要求1所述的一種同時提升復合型發電機壓電和摩擦電換能效率的方法，其特征在于：壓電陶瓷納米顆粒排列為沿薄膜厚度方向的納米棒結構，納米顆粒壓電材料占聚合物薄膜的體積分數為3％-20％，納米顆粒直徑范圍為0.1-1μm，其排列形成的納米棒長度范圍為1-100μm。

3.根據權利要求1所述的一種同時提升復合型發電機壓電和摩擦電換能效率的方法，其特征在于：壓電陶瓷納米顆粒的材料為鈦酸鋇、鋯鈦酸鉛、鈮酸鹽系、鈮鎂酸鉛中的任意一種。

4.根據權利要求1所述的一種同時提升復合型發電機壓電和摩擦電換能效率的方法，其特征在于：聚合物薄膜材料選自聚偏氟乙烯PVDF，PVDF-TrFE,P(VDF-HFP)，聚二甲基硅氧烷PDMS，3-己基噻吩聚合物P3HT，聚四氟乙烯PTFE，聚苯胺，聚吡咯，聚對苯二甲酸乙二醇酯PET聚合物材料其中一種。

5.根據權利要求1所述的一種同時提升復合型發電機壓電和摩擦電換能效率的方法，其特征在于：頂電極和底電極的材料為銅、或鋁、或銀金屬。

6.根據權利要求1所述的一種同時提升復合型發電機壓電和摩擦電換能效率的方法，其特征在于納米復合薄膜的制備包括如下步驟：

(1)準備鈦酸鋇納米棒和聚二甲基硅氧烷和其固化劑并將它們按質量比1:10:1混合均勻得到混合物；

(2)將配好的混合物放在ITO玻璃上，抽真空，在真空環境下除去混合物中溶解的空氣；

(3)把另一塊ITO玻璃壓在上面，抽第二次真空，兩玻璃板間隔100μm-200μm；

(4)從ITO玻璃表面引出導線，用銀漿粘連ITO與導線末端，并連接到摩擦納米發電機；

(5)用摩擦納米發電機輸出110V-220V、30-50Hz的交流電壓，在20℃-30℃靜置12h-24h，等待聚二甲基硅氧烷完全固化；

(6)斷開電源，將兩片ITO玻璃分開，取出夾在中間的壓電復合薄膜；

(7)使用油浴極化裝置，將復合薄膜在100℃，1000V直流高壓下極化1h，使壓電陶瓷顆粒被極化。

7.根據權利要求1所述的一種同時提升復合型發電機壓電和摩擦電換能效率的方法，其特征在于：利用納米復合薄膜組裝納米發電機包括如下步驟：

(1)取兩塊面積4cm×5cm、厚0.5-2mm的矩形亞克力板，與四個長1cm的彈簧；

(2)在兩塊亞克力板的一面上印刷銀或銅電極，作為頂電極和底電極；

(3)將同時提升壓電和摩擦電輸出性能的納米復合薄膜置于底電極上；

(4)將底電極與頂電極相向分開放置，使底電極的納米復合薄膜正對頂電極，兩塊亞克力板之間用彈簧連接，在靠近四個頂點的區域安裝彈簧。