[发明专利]一种柔性复合薄膜纳米发电机及其制备方法

说明书

本发明公开了一种柔性复合薄膜纳米发电机及其制备方法，属于柔性压电纳米发电机领域。本发明的柔性复合薄膜纳米发电机包括：压电材料层，其由钛酸钡BaTiO₃纳米粒子与聚偏二氟乙烯PVDF形成的柔性复合薄膜经多层堆叠而成；第一金属电极，其贴合于压电材料层上表面；第二金属电极，其贴合于压电材料层下表面；第一绝缘层，其位于第一金属电极上方；以及第二绝缘层，其位于第二金属电极下方。本发明的柔性复合薄膜纳米发电机利用了将钛酸钡BaTiO₃纳米粒子和聚偏二氟乙烯PVDF柔性复合薄膜多层堆叠，使得制备的发电机电学输出性能提高、电学输出稳定。

技术领域

本发明属于柔性压电纳米发电机领域，具体涉及一种柔性复合薄膜纳米发电机及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的飞速发展，可穿戴电子产品不断问世，电子设备正朝着微型化和柔性化的方向发展。压电纳米发电机可以将环境中的机械能转化成为电能，有望在生物医疗、传感、自供电微电子器件等领域得到广泛的应用。

传统的纳米发电机柔性差、含铅压电材料有毒、电学输出功率低等缺点限制了纳米发电机在可穿戴电子器件中的应用。聚偏二氟乙烯(PVDF)，是一种柔性且自身具有压电性质的高聚物，无毒无害、化学稳定性好、成膜性好而成为受青睐的压电柔性材料。同时，压电系数较大的无铅压电陶瓷粉末，如钛酸钡(BaTiO₃)、铌酸钾钠((K,Na)NbO₃)等，因其具有无污染、制备简单及成本低等优势，是制备柔性压电纳米发电机的良好选择。通过材料和结构设计，将压电材料与柔性材料复合，可以实现柔性压电纳米发电机，构建柔性复合压电器件。丁建宁等人(公开号为CN 107611250A的专利申请)利用流延法制备了PVDF/BaTiO₃有机-无机材料复合薄膜的柔性纳米发电机，但其所制备复合薄膜均匀性差、电学输出性能有待进一步提高。S.Wazed Ali等人(A,Teka,etal,Polym.Adv.Technol.,2018,29:2537-2544)，通过静电纺丝的方法制备(K,Na)NbO₃/PVDF复合柔性纳米发电机，输出电压最大仅为1.9V。Jong-hyun Ahn等人(Bee S-H,etal,ACS Nano,2013,7(4):3130-3138)通过原子沉积结合涂抹法制备了PVDF-GO-PVDF多层透明柔性薄膜纳米发电机，制备的发电机的输出电压可达3V，但是这种多层结构设计过程复杂、成本高、难以实现大规模生产和应用。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种新的多层柔性复合薄膜纳米发电机及其制备方法，该发电机具有工艺简单、实用性广、电学性能提高明显、效率高等优点，是一种理想的高电学输出的柔性复合薄膜纳米发电机。

本发明的柔性复合薄膜纳米发电机包括：压电材料层，其由钛酸钡BaTiO₃纳米粒子与聚偏二氟乙烯PVDF形成的柔性复合薄膜经多层堆叠而成，使得所述多层堆叠的相邻层之间存在空气高介电层；第一金属电极，其贴合于压电材料层上表面；第二金属电极，其贴合于压电材料层下表面；第一绝缘层，其位于第一金属电极上方，覆盖第一金属电极以及压电材料层上表面未被第一金属电极覆盖的部分，且在承受外部第一压力时将第一压力传导给压电材料层；以及第二绝缘层，其位于第二金属电极下方，覆盖第二金属电极以及压电材料层下表面未被第二金属电极覆盖的部分，且在承受外部第二压力时将第二压力传导给压电材料层。

本发明的柔性复合薄膜纳米发电机的制备方法包括：将钛酸钡BaTiO₃纳米粒子与聚偏二氟乙烯PVDF形成的柔性复合薄膜进行多层堆叠，从而形成压电材料层；将第一金属电极贴合于压电材料层上表面；将第二金属电极贴合于压电材料层下表面；将第一绝缘层置于第一金属电极上方，使得第一绝缘层覆盖第一金属电极以及压电材料层上表面未被第一金属电极覆盖的部分，且在承受外部第一压力时将第一压力传导给压电材料层；以及将第二绝缘层置于第二金属电极下方，使得第二绝缘层覆盖第二金属电极以及压电材料层下表面未被第二金属电极覆盖的部分，且在承受外部第二压力时将第二压力传导给压电材料层。