[发明专利]基于柔性多孔PVDF-BTO薄膜的压电-摩擦电复合传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于柔性多孔PVDF‑BTO薄膜的压电‑摩擦电复合传感器及其制备方法，所述复合传感器采用PVDF‑BTO纳米纤维膜和弹性天然橡胶膜分别作为负摩擦层和正摩擦层，在所述PVDF‑BTO薄膜的底面和天然橡胶膜的上表面分别贴有导电胶带作为电极；使用静电纺丝法制备了由铁电材料BTO和压电材料PVDF组成的多孔复合薄膜；并探索了BTO的最佳掺杂含量。本发明设计材料器件结构，用以耦合静电感应、压电效应和多孔偶极子等所有因素以提高纳米发电机输出，为纳米发电机的发展提供了新的策略。本发明还表明，混合纳米发电机在可穿戴电子设备中的机械能收集装置方面具有良好的潜力。

技术领域

本发明涉及基于柔性多孔PVDF-BTO薄膜的压电-摩擦电复合传感器及其制备方法，属于传感器领域。

背景技术

近年来，压电和摩擦纳米发电机因其在机械能收集方面的良好性能以及在柔性电子领域的各种应用受到广泛关注。它具有体积小、重量轻、环保、响应速度快、信噪声比，低频和不规则机械能的收集能力强的特点。压电纳米发电机(PENG)是基于介电极化引起的压电效应，而摩擦纳米发电机(TENG)利用接触带电和静电感应的耦合效应，在外力作用下，活性材料的表面电荷密度会发生变化，因此PENG和TENG能够将机械能转化为电能。多孔结构已被证明有助于提高TENG或TENG的输出性能。对于TENG，在静电场的作用下，TENG中的多孔结构更容易捕获到更多的电荷。例如Yu等人在2017年发表在Nano Energy期刊上的第34期的69-75页，题为《High-Power Triboelectric Nanogenerator Prepared fromElectrospun Mats with Spongy Parenchyma-like Structure》的论文以及Mi等人在2018年发表在Nano Energy期刊上的第48期的327-336页，题为《High-Performance FlexibleTriboelectric Nanogenerator Based on Porous Aerogels and ElectrospunNanofibers for Energy Harvesting and Sensitive Self-Powered Sensing》均有记录。就PENG而言，多孔结构中的每个单独的孔都可以被认为是一个“多孔偶极子”，一旦施加力，孔隙的变形会导致“多孔偶极子”收缩，从而导致材料的偶极矩减小，从而提高了PENG多孔偶极子的性能。在2018年发表在ACS Appl.Mater.Interfaces期刊上的第10期33105-33111页题为《Flexible Porous Polydimethylsiloxane/Lead Zirconate Titanate-BasedNanogenerator Enabled by the Dual Effect of Ferroelectricity andPiezoelectricity》的论文以及2021年发表在J.Electron.Mater.上的第50期1132-1139页的题为《Flexible Single-Electrode Triboelectric Nanogenerator and Body MovingSensor Based on Porous Na2CO3/Polydimethylsiloxane Film》的论文中均有论述。由于PENG和TENG均在研究Maxwell位移电流的机制，它们的输出特性、匹配电阻和工作频率非常接近，PENG和TENG的混合是提高输出性能的可能方式。

然而，设计材料和耦合静电感应、压电效应和多孔偶极子等所有因素以提高纳米发电机输出的器件结构尚未见报道。

发明内容

本发明提供了一种基于柔性多孔PVDF-BTO薄膜的压电-摩擦电复合传感器及其制备方法，设计材料器件结构，用以耦合静电感应、压电效应和多孔偶极子等所有因素以提高纳米发电机输出。使用静电纺丝法制备了由铁电材料纳米钛酸钡(BTO)和压电材料聚偏二氟乙烯(PVDF)组成的多孔复合薄膜；PVDF/BTO复合膜用作负摩擦层，天然橡胶膜(NR)用作正摩擦层，形成TENG-PENG混合纳米发电机(T-PENG)即压电-摩擦电复合传感器。