[发明专利]基于叉指电极结构柔性可拉伸压电纳米发电机及制备方法

说明书

本发明公开了一种基于叉指电极结构的薄膜式压电纳米发电机，包括压电薄膜层和叉指电极薄膜层；所述叉指电极薄膜层由单边电极A和单边电极B构成；所述叉指电极薄膜层半嵌入压电薄膜层中。其中，所述压电薄膜层通过将压电材料填充到柔性聚合物材料中制得；所述叉指电极薄膜层中的单边电极A和单边电极B均是通过将导电颗粒填充到柔性聚合物材料中制得。该纳米发电机通过采用d₃₃耦合模式，在保证良好的柔性和可拉伸性的基础上，解决了普通压电式纳米发电机在d₃₁耦合模式下存在的输出电压小的问题。

技术领域

本发明属于压电纳米发电机领域，具体为一种基于叉指电极结构的柔性可拉伸薄膜式压电纳米发电机及其制备方法。

背景技术

近年来，可穿戴设备、植入式电子设备和电子皮肤等柔性电子器件发展迅速，同时一种清洁，便携可独立持续工作的能源得到了迫切的需求。压电纳米发电机作为一种基于压电效应和静电感应原理的能量转换器件，可以将环境中的微小的机械能转换成为电能，具有体积小，质量轻，受环境影响小的优点，可以用作自驱动系统的构建。人体走路时震动产生的机械能，肢体关节处弯曲时拉伸收缩产生的机械能等的采集工作都需要压电纳米发电机具有一定的柔性和可拉伸性能。

压电纳米发电机主要采用d₃₁和d₃₃ 两种耦合模式。目前大多压电纳米发电机采用d₃₁耦合模式。虽然此模式下可以获得较大的电荷收集面积，但是输出电压却非常小。由于同一种压电材料的d₃₃系数一般是d₃₁系数的2~3倍，所以通过d₃₃耦合模式制备的压电式纳米发电机可以有效的提高输出电压。而现在采用d₃₃模式制备的压电纳米发电机，大多是在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等平面柔性聚合物衬底上进行压电薄膜和电极层的生长和制备，通过此方案设计的压电纳米发电机不具有良好的柔性和可拉伸性能，不能满足柔性电子器件对柔性和拉伸性的需求。可以通过在柔性聚合物中填入压电材料和导电颗粒的方法实现柔性可拉伸性能的提升。

目前，通过在柔性聚合物中添加压电材料制备出来的柔性可拉伸压电纳米发电机不能很好地将拉伸性能和压电性能同时兼顾起来。因为目前主要是通过将柔性聚合物和压电材料混合之后通过超声波震荡或者手工机械搅拌的方式将压电分体加入到柔性聚合物中，这样一方面不能在柔性聚合物中大比例地混入压电粉体（一般在40wt%以下）致使混合之后得到的压电薄膜压电性能大幅度下降，另一方面由于柔性聚合物的粘稠度较高，该工艺条件下不能使混入柔性聚合物材料中的压电粉体很好地均匀分布开来，致使混合之后的压电薄膜拉伸过程中容易发生断裂。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于叉指电极结构的薄膜式压电纳米发电机，其电极部分采用半嵌入式叉指电极，工作方式属于d₃₃耦合模式，它在解决d₃₁耦合模式下压电纳米发电机电压输出小问题的同时，又兼具良好的柔性和可拉伸性。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于叉指电极结构柔性可拉伸压电纳米发电机，包括压电薄膜层和叉指电极薄膜层。其中，压电薄膜层通过将压电材料填充到柔性聚合物材料中制得，叉指电极薄膜层通过将导电颗粒填充到柔性聚合物材料中制得。

所述叉指电极薄膜层由单边电极A和单边电极B构成；

所述叉指电极薄膜层半嵌入压电薄膜层中。

工作时，两个单边电极分别连有导线与外电路进行连接。环境中外力使所述薄膜式压电纳米发电机进行震荡或者变形，此过程中，由于压电效应和静电感应的作用，两单边电极之间会产生电势差，外电路中会产生电子的转移。此时便可以对电池进行充电或者直接驱动外电路进行工作。因为此薄膜式压电纳米发电机是基于叉指电极结构进行设计制备，其耦合模式属于d₃₃模式，所以所述薄膜式压电纳米发电机具有较高的输出电压。