[发明专利]基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法

说明书

本发明涉及一种基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法，该方法首先以SiO2@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.02%～0.5%的比例称取SiO2@Ag复合纳米颗粒，将其倒入称量好的PDMS原液中，制备成PDMS混合溶液，对混合溶液进行搅拌、脱泡、分散、再脱泡处理；再向PDMS混合溶液中滴入固化剂后对其进行搅拌、脱泡处理；采用旋涂法将PDMS混合溶液旋涂在一片干净干燥的铜箔的上表面上，形成一层均匀的薄膜；最后将铜箔置于培养皿中，再把培养皿置于真空干燥箱中进行固化处理，即得到基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜；本发明可提高摩擦起电薄膜的介电常数，有效解决了摩擦起电薄膜中纳米颗粒的团聚问题。

(一)、技术领域：

本发明涉及一种摩擦起电薄膜制备方法，特别涉及一种基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法。

(二)、背景技术：

摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator,TENG)基于摩擦起电效应和静电感应耦合，把微小的机械能转换为电能，其应用了新型的能量采集技术,在微能源和大规模的能源获取中具有广阔的应用前景。然而，目前摩擦纳米发电机的输出性能低下、鲁棒性以及环境适应性均较差，这些缺陷在其工程化应用进程中逐渐凸显，成为其进一步推广应用的瓶颈问题。摩擦纳米发电机的摩擦起电材料的固有特性对提高其输出性能至关重要，提高摩擦起电材料的表面电荷密度是实现其高输出性能的关键，而材料的介电性质在很大程度上影响摩擦材料的表面电荷密度，因此提高材料的介电性可以有效提高摩擦材料的表面摩擦电荷密度，而将高介电性的纳米粒子掺入介电薄膜中是提升介电薄膜介电性能的最简单有效的方法之一。

从高介电纳米颗粒提升TENG表面电荷密度的机理可知，增大介电材料的介电常数能够有效减小介电薄膜的有效厚度，从而可以有效增大TENG的转移电荷量和本征电容属性。从理论上看纳米颗粒的掺杂体积比越大，介电常数提升越明显，但是在实际应用中，过多的纳米颗粒掺杂一方面会对介电材料分子结构造成破坏从而改变介电材料的得失电子能力，另一方面过多的纳米颗粒掺杂尤其是金属纳米颗粒掺杂会造成渗流现象的发生，使得摩擦电荷大量泄漏，从而降低TENG的输出性能。

现有的纳米掺杂技术存在的一个主要难题,就是纳米颗粒的分散问题，团聚的纳米颗粒在薄膜内部会带来较多的缺陷，从而影响其性能的提升，这是由于纳米颗粒尺寸在纳米级别，具有较大的比表面积和极高的表面能，从而很容易在范德华力的作用下出现团聚，而大多摩擦材料又极易被化学污染，如果改用试剂对纳米颗粒进行分散后再掺入摩擦材料中，不仅引入了第二变量，给分析带来困难，而且作为溶剂的试剂材料可能会给纳米颗粒以及摩擦材料带来一定程度的污染，例如银纳米颗粒可能在分散过程中氧化，从而影响其性能。

掺杂材料主要分为导电纳米材料和绝缘体纳米材料两种，导电纳米材料存在金属纳米颗粒表面势能较大、易团聚、易渗流等问题，绝缘体纳米材料存在介电常数有限，提升效果有限的问题。

(三)、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法，该方法不仅可以在保证摩擦起电薄膜正常工作的前提下提高摩擦起电薄膜的介电常数，而且可有效解决摩擦起电薄膜中纳米颗粒的团聚问题。

本发明的技术方案：

一种基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法，制备步骤如下：

步骤1、取一片铜箔，铜箔可以作为摩擦纳米发电机的电极，先对铜箔进行预处理工作，使用工具(如棉签)蘸取酒精，用酒精清洁铜箔表面，将铜箔表面的灰尘和杂质擦去，然后用氮气将铜箔表面吹干；

步骤2、用电子天平称取PDMS原液，然后将电子天平归零，以SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.02％～0.5％的比例再称取SiO₂@Ag复合纳米颗粒，将称量好的SiO₂@Ag复合纳米颗粒倒入称量好的PDMS原液中，制备成掺有SiO₂@Ag复合纳米颗粒的PDMS混合溶液；