[发明专利]一种基于碳包覆钛酸钡/PVDF的柔性压电能量转化器件

说明书

本发明涉及能量转化材料及器件技术，旨在提供一种基于碳包覆钛酸钡/PVDF的柔性压电能量转化器件。该柔性压电能量转化器件呈三明治结构，中间是压电复合薄膜，在其两侧粘附了作为电极的金属箔；所述压电复合薄膜是均匀掺混了碳包覆钛酸钡纳米颗粒的聚偏氟乙烯，其中碳包覆钛酸钡纳米颗粒的质量占比为10～20％。本发明具有优异的压电性能，能将低频机械能转化为电能，为可穿戴电子设备供能。制备工艺简单，方法的可操作性和可重复性高。可通过调节碳包覆钛酸钡颗粒的含量，实现器件压电性能的调控；结构稳定性好，可应用于柔性电容器、柔性电池、柔性传感等柔性电子器件供能，具有广阔的应用前景。

技术领域

本发明属于能量转化材料及器件技术，特别涉及一种基于碳包覆钛酸钡/PVDF的柔性压电能量转化器件及制备技术。

背景技术

面对即将到来的第四次工业革命，无线通讯、物联网及可穿戴电子设备等新兴产业已经呈现出爆炸性发展的态势。作为技术革命发展的基础，电能，特别是针对小型、微纳尺度的电能供应成为了关注重点。针对这一领域的特殊需求，现已发展了基于热电效应、压电效应、摩擦效应和电磁效应等的能量转化材料及器件。其中，压电材料作为一类具有压电特性的材料，可以将机械能转化为电能，以此基础产生的能量转化器件可以有效的将自然界中广泛存在的机械能，特别是人体运动所产生的机械能转化为电能。因此，此类基于压电效应的能量转化器件成为解决可穿戴设备、无线传感等微纳系统的能源供应的有效途径。

常用的压电材料有压电陶瓷材料、半导体材料以及压电聚合物。为了适应可穿戴设备对于材料柔性的要求，兼具优良的压电性能与机械性能，以压电聚合物为基体，以压电陶瓷粉体为填料所制备的压电复合材料受到研究领域与产业界的广泛关注。基于此类压电复合材料所发展的压电能量转化器件逐渐成为研究热点并有巨大的市场空间。但目前此类柔性压电材料及能量转化器件还存在很多问题，包括压电复合材料制备方法复杂、纳米压电颗粒在压电聚合物易团聚导致复合材料及器件机械性能和压电性能差等问题，限制柔性能量转化器件在可穿戴设备、无线传感等微纳系统的应用需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种基于碳包覆钛酸钡/PVDF的柔性压电能量转化器件及制备方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种基于碳包覆钛酸钡/PVDF的柔性压电能量转化器件，该柔性压电能量转化器件呈三明治结构，中间是压电复合薄膜，在其两侧粘附了作为电极的金属箔；所述压电复合薄膜是均匀掺混了碳包覆钛酸钡纳米颗粒的聚偏氟乙烯，其中碳包覆钛酸钡纳米颗粒的质量占比为10～20％。

本发明中，所述金属箔的厚度为30～80μm，压电复合薄膜的厚度为150～200μm。

本发明中，所述碳包覆钛酸钡纳米颗粒通过下述方法制备获得：按质量比1∶0.5∶100取钛酸钡纳米颗粒、盐酸多巴胺和水，混合均匀后调节pH调至弱碱性；继续在室温下搅拌12～15h，离心分离、洗涤、干燥后移至管式炉中；在惰性气体保护和400～600℃条件下热处理1～2h，获得碳包覆的钛酸钡纳米颗粒。

本发明中，所述惰性保护气体是N₂或Ar气体。

本发明中，所述金属箔是铝箔或铜箔；金属箔的端部还与导线相连接。

本发明进一步提供了前述柔性压电能量转化器件的制备方法，包括以下步骤：

(1)按质量比1∶0.5∶100取钛酸钡纳米颗粒、盐酸多巴胺和水，混合均匀后调节pH调至弱碱性；继续在室温下搅拌12～15h，离心分离、洗涤、干燥后移至管式炉中；在惰性气体保护和400～600℃条件下热处理1～2h，获得碳包覆的钛酸钡纳米颗粒；