[发明专利]基于压电-摩擦效应的高电学性能纳米发电机的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及微纳米科学与微能源技术领域，具体是一种基于压电-摩擦效应的高电学性能纳米发电机的制备方法。

背景技术

微纳米发电机是近几年来发展速度飞快的一种小体积、大功率的微能源设备，它能收集周围环境中微小的振动机械能并转变为电能，来为其他纳米器件，如传感器、探测器等提供能量。微纳米发电机的发明不仅为实现能源系统的微型化带来了可能，更重要的是，对于实现具有完全无线、可生物植入以及长时期甚至终生无需照管的纳米或微电子器件，微纳米发电机提供了一种理想的电源系统。

目前，最常见的微纳米发电机有利用压电效应制成的微纳米发电机和利用摩擦效应制成的微纳米发电机。其中，利用压电效应制成的微纳米发电机的输出电压不高，仅有3V左右，并且该类发电机的尺寸都较大；而利用摩擦效应制成的微纳米发电机的输出电流偏低，并且其结构设计还有提高的空间。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有微纳米发电机存在的上述问题，而提供一种基于压电-摩擦效应的高电学性能纳米发电机的制备方法。本发明方法是利用压电效应与摩擦效应结合来制备小面积、高输出电压的纳米发电机。本发明方法是将CNT颗粒和压电颗粒混入液态PDMS制成复合薄膜，在复合薄膜表面用微加工的方法制作具有规则的微纳凹凸结构，最后将复合薄膜电极化并夹设电极即可。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种基于压电-摩擦效应的高电学性能纳米发电机的制备方法，包括如下步骤：

1）制备可塑性聚合物：取CNT颗粒（碳纳米管）和压电颗粒按质量比为1:10～1:14混合均匀，然后将混合颗粒放入酒精中超声处理15～20min、再放入干燥箱内干燥1.5～2.0h，接着将干燥后的混合颗粒（图2为混合颗粒的SEM图，从图中可以看出压电颗粒与碳纳米管混合均匀，两者构成了类似“葡萄串”的结构，加快电子转移速率）添加到液态PDMS（聚二甲基硅氧烷，它是一种具有不同聚合度链状结构的有机硅氧烷混合物，聚二甲基硅氧烷通常是由主剂与硬化剂以质量比10：1比例混合均匀，并利用抽真空的方式使混合液中的气泡浮至表面并破裂）中搅拌均匀并抽真空去除气泡，混合颗粒和液态PDMS按质量比为1：6～1:8混合，最后即得到了可塑性聚合物；

2）制备具有微纳凹凸结构的复合薄膜：将步骤1）中制得的可塑性聚合物置于表面设有微纳凹凸结构的基板上（表面设有微纳凹凸结构的基板是纳米发电机制备领域中常见的装置），然后再用流延盒从基板上方均匀拉过（流延盒是一种控制成膜厚度及平整度的现有公知装置，主要由螺旋测微仪控制好厚度后，将流延盒从基板上方均匀拉过，便可得到了厚度均匀、平整度较高的薄膜），使基板上的可塑性聚合物形成厚度均匀、表面平整的薄膜（优选厚度为0.5mm-1.0mm的薄膜），接着将基板置于65～75℃的干燥箱中干燥1.3～1.7h，干燥后脱模即得到了具有微纳凹凸结构的复合薄膜；

3）复合薄膜（1）的极化：将步骤2）中得到的具有微纳凹凸结构的复合薄膜浸没于盛有酒精的容器中超声清洗至少三次，取出后在复合薄膜两面贴上铝箔作为电极并置于油浴中（所述的油浴为常温的硅油），在两片铝箔上加电压对复合薄膜极化15min；当复合薄膜的厚度小于等于1mm时，加的电压为3kv，当复合薄膜的厚度大于1mm时，加的电压与复合薄膜的厚度成正比，复合薄膜的厚度每增加1mm、所加的电压增加3kv（即：复合薄膜厚度为2mm时，所加电压为6kv；复合薄膜厚度为2.5mm时，所加电压为7.5kv；复合薄膜厚度为3mm时，所加电压为9kv；复合薄膜厚度为3.5mm时，所加电压为10.5kv；复合薄膜厚度为4mm时，所加电压为12kv…，以此类推）；极化完成之后脱去铝箔即得到了被极化的复合薄膜；

4）纳米发电机的制备：在复合薄膜设有微纳凹凸结构的一面上设有金属层、金属层上设有ITO/PET导电膜（设置金属层能起到增大摩擦的作用，提高电压的输出），在复合薄膜未设有微纳凹凸结构的一面上设有ITO/PET导电膜，最后即制备得到了所述的基于压电-摩擦效应的高电学性能纳米发电机，其结构如图1所示。ITO/PET导电膜是指采用磁控溅射技术，在PET基底材料上溅射透明氧化铟锡(ITO)导电薄膜镀层并经高温退火处理得到的高技术产品。ITO/PET导电膜能使摩擦和压电效应产生的电荷有效传递。

本发明纳米发电机是基于摩擦电电势的充电泵效应和压电材料极化效应，经过基于纳米粒子的材料表面改性和掺杂技术，当外力施加于此结构的材料时，摩擦产生的电与压力产生的电同时作用得到了具有高电压输出的纳米发电机。