[发明专利]一种纳米压电薄膜及纳米复合压电发电机的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种细菌纤维素和压电颗粒复合的纳米压电薄膜及纳米发电机的制备方法，在医学材料、电子材料等领域有广泛的应用前景。 

  

背景技术

能源问题在人类发展中变得日益突出，传统能源所带来的环境污染以及自身储量的有限性迫使人们不断寻求可替代的新能源。然而，环境中所蕴含的能量无处不在，例如振动、摩擦等机械能以及废弃的热能等，如果通过一定的转换机制将这些能量收集起来并加以利用，总量将非常可观。近年来，便携式电子产品的普及为驱动这些电子器件的电源提出了更高的要求。传统的蓄电技术表现出持久性差、环境污染等不足，发展一种环保的、可持续独立供电的技术变得迫在眉睫。因此，通过有效手段将环境中的能量收集起来，并转化为可持续的电能来驱动小范围的电子器件，将有望成为解决上述问题的绝佳途径。 

纳米发电机是近年来迅速发展起来的能量转换器件，它们基于例如压电效应、摩擦电效应、热释电效应等不同的性质，可以采集环境中原本可能废弃的能量，例如机械能、热能。压电纳米发电机是这类器件中的一种，它利用了压电材料可以在受应力时产生极化电荷这一基本性质，可以收集环境中的机械能并将之转换为电能。最早的纳米发电机是基于ZnO这种半导体压电材料，但其较低的压电系数限制了纳米发电机性能的提升。传统的压电陶瓷通常具有较高的压电系数，但其自身多为脆性材料，并不能满足复杂多样的使用环境。纳米复合压电发电机可以弥补上述不足，它采用压电系数较高的压电材料与有机基体进行复合形成纳米复合压电材料，可以在实现器件的柔性的同时，显著提高纳米发电机的性能。经有限元计算分析知，压电纳米颗粒在有机基体中分布的均匀性对复合压电薄膜的压电性能有较大影响：颗粒分布均匀性越好，发电机在受应力条件下产生的压电电势分布也越均匀，进而发电机的性能越好。K. Park等（Park K I, Lee M, Liu Y, et al. Flexible nanocomposite generator made of BaTiO3 nanoparticles and graphitic carbons. Advanced Materials, 2012, 24(22): 2999-3004.）通过向BaTiO₃/PDMS压电薄膜中引入多壁碳纳米管，使BaTiO₃颗粒在PDMS基体中分散更加均匀，同时碳纳米管在PDMS中的交错分布使复合薄膜内部的应力分布更均匀，增强了BaTiO₃颗粒在基体中的受力，从而使纳米发电机的输出电压显著提升。然而加入过多的具有导电性的碳纳米管会对压电电势产生屏蔽作用，从而对纳米发电机的性能造成削弱。 

细菌纤维素是一类由微生物合成的纤维素，其中最典型的是木醋杆菌。细菌纤维素相比于其他天然纤维素具有以下优势：（1）纯度高，不含植物纤维素中常有的木质素、果胶和半纤维素等；（2）稳定的三维纳米纤维网格结构；（3）机械强度高，弹性模量可以达到植物纤维素十倍以上，并且抗张强度高；（3）较高的生物相容性和良好的生物可降解性。作为一种环境友好、含量丰富的材料，细菌纤维素在医学材料、电子材料等领域有广泛的应用前景。 

  

发明内容

本发明提出了一种基于细菌纤维素和压电颗粒的纳米复合压电薄膜及纳米复合压电发电机的制备方法。 

一种基于细菌纤维素和压电颗粒的纳米复合压电薄膜的制备方法，其特征在于：以具有生物相容性、成本低廉的细菌纤维素作为基体，以具有压电性质的纳米（或亚微米）颗粒作为填充材料，两者复合得到具有压电性质的薄膜。该方法具体步骤如下： 

（1）使用物理机械方法或化学溶解方法将细菌纤维素在液相中分散成细小纤维。物理机械方法包括（但不限于）高速分散机分散、细胞粉碎机粉碎、干燥研磨、超声分散等；化学溶解方法所使用的溶剂包括（但不限于）三氟乙酸等。以上方法均可得使细菌纤维素分散于液相中，形成半凝胶或溶液状态的细菌纤维素浆料。