[发明专利]一种完全可卷曲的压电纳米复合发电器的制备方法

说明书

一种完全可卷曲的压电纳米复合发电器的制备方法，利用聚偏二氟乙烯作为基体，组成调制的铌酸钾钠压电纳米颗粒作为分散体制备纳米复合发电器薄膜，并集成一种新型的柔性电极实现纳米发电器的完全可卷曲性，电极的表面电阻随卷曲次数的变化较小，经过200次卷曲循环后，开路电压仍可保持稳定。上述结果说明PVDF‑(NKNS‑LT‑BZ)纳米复合发电器可以很好地适用于自驱动可卷曲电子器件中，比如：管状的运动传感器，可穿戴的电子皮肤，完全可卷曲的移动电子，汽车轮胎内的发电系统等。

技术领域

本发明属于纳米材料与器件的制备技术领域，特别涉及一种完全可卷曲的压电纳米复合发电器的制备方法。

背景技术

将机械能转化为电能可以有效地缓解全球能源危机并且解决相伴的环境问题，从而具有重要的战略意义。在过去十年，柔性压电纳米发电器作为自驱动电子系统和实时活性传感器被广泛地研究，它可以有效地从机械变形、振动、流体运动、声波、甚至是身体或器官运动中收集转化机械能。到目前为止，基于氧化锌纳米线、氮化镓纳米棒、二硫化钼纳米片、传统压电陶瓷晶体、有机-无机铅卤化物和聚偏二氟乙烯的各种结构的压电纳米发电器被相继报道。尤其是，由聚二甲基硅氧烷和纳米尺寸的压电体构成的压电纳米复合发电器作为一种新型的范例被提出，它具有更好的机械柔性和更高的电学输出。另外，这种类型的纳米发电器制备过程简单、成本较低、易于规模化。

β相聚偏二氟乙烯及其共聚物具有较优的压电性能、适当的机械强度和柔性，因此成为了最受人关注的有机压电材料。尽管研究人员基于聚偏二氟乙烯设计了一系列不同结构的压电纳米发电器，但还是很少用它作为基体制备纳米复合发电器。另一方面，考虑到纳米复合发电器产生的压电电势主要取决于其中的无机组成部分，具有高压电活性的无机压电材料应受到特殊关注。铌酸钾钠体系作为一种生物相容的无铅压电陶瓷材料因其杰出的压电和机电特性被大量研究。其中，位于多晶型相界处的组成具有相当高的压电常数，很接近一些铅基压电陶瓷材料，因而使它们很适合用于纳米复合发电器。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：利用聚偏二氟乙烯作为基体，组成调制的铌酸钾钠压电纳米颗粒作为分散体制备纳米复合发电器薄膜，并集成一种新型的柔性电极实现纳米发电器的完全可卷曲性。

本发明采用如下技术方案：完全可卷曲的压电纳米复合发电器的制备方法，其包括如下步骤：

步骤S1（0.915(Na_0.5K_0.5)(Nb_0.94Sb_0.06)O₃- 0.045LiTaO₃-0.04BaZrO₃ （NKNS-LT-BZ）的制备）：易吸湿的的碳酸钠和碳酸钾粉末首先在150 ^oC完全干燥，按照化学计量比称量碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂、碳酸钡、五氧化二铌、五氧化二锑、五氧化二钽和二氧化锆，混合后以酒精为介质球磨12 h，得到的浆料在80 ^oC干燥12 h后研磨均匀，置于850 ^oC煅烧5 h得到NKNS-LT-BZ钙钛矿压电晶体，再对粉体进行二次球磨24 h得到粒径均匀的结晶纳米颗粒；

步骤S2（PVDF-(NKNS-LT-BZ)纳米复合薄膜的制备）：将钙钛矿压电纳米粉末NKNS-LT-BZ按照一定的质量比分散在10 ml溶剂N,N-二甲基甲酰胺中，进行室温搅拌和超声1 h，然后在悬浮液中加入PVDF（10 wt%）粉末，加热至65 ^oC激烈搅拌3 h后超声分散1 h，将均匀混合的浆料倒入表面皿中置于75 ^oC烘干溶剂，得到的薄膜在真空中120 ^oC退火3 h；