[发明专利]一种具有超高输出性能、可无线传输信号的柔性压电器件及其制备方法

说明书

本发明公开了一种具有超高输出性能、可无线传输信号的柔性压电器件及其制备方法。该柔性压电器件在低频机械振动下表现出优异的能量捕获收集能力。在2Hz的频率下，柔性器件的输出电压可达126V，相对应的输出功率密度可达710mW m^‑2，是目前同类型器件当中的最优输出性能。此外，柔性压电器件还可以灵敏地响应500Hz以下的机械振动，表现出优异的传感性能，使用柔性压电器件成功地实现了对模型变压器振动信号的传感。将柔性压电器件与无线信号传输模块集成，还可以实现振动信号的无线化传输。

技术领域

本发明属于传感器的制备与应用领域，涉及一种柔性压电器件及其制备方法，特别涉及一种具有超高输出性能、具有无线传输信号功能的柔性压电器件及其制备方法。

背景技术

随着信息化时代的到来，各行各业都需求规模巨大的传感器网络，而如何给这些分布广、数量多的传感器供电就成为了一大难题。传统方法是使用一次电池为传感器供电，然而这种方法并不环保，并且为大量传感器更换电池的过程也非常繁琐。因此，希望开发出可以从环境中自发地收集能量，并转化为电能的自供电传感器。压电效应是指外力作用在压电材料的表面，就可以产生对应的表面电荷的现象。通过器件和电路设计，就可以使压电材料在外部应力的作用下持续对外输出电荷，成为压电发电机，是自供电传感器一种理想的发电方式。同时，压电发电机器件对外力敏感的电信号响应也使其可以作为理想的振动传感器来使用。

压电器件的核心部件是其压电活性材料。受限于压电材料自身的性能，目前使用压电聚合物作为电活性材料的柔性压电器件，通常瞬时输出电压只有20V以下，对应的平均功率密度仅为10mW m^-2的数量级，过低的输出性能使得压电器件作为自供电传感器仍难以满足实际应用的需求(ChCC C,LC C,ShaC C,CC aC.HCCh-CCrCCrmaCcC CCCzCCCCcCrCcCaCCCCCCraCCrp pCCh CmCrCCCCp PpVDF-TrFEpppaTCp₃ CaCCcCmCCpCCC mCcrCCCCCarpCCr pCCC-CCpCrCp CCCmCmCC pCCpCrpmCm.SmaCC,2017,13p23pm 1604245.)。在本发明以前，尚未有柔性压电器件可以达到120V以上的输出电压和710mW m^-2的输出功率密度，同时也没有将柔性压电传感器用于变压器振动监测的应用案例。

发明内容

本发明针对目前压电器件输出性能低的缺点，提出了具有超高输出性能的柔性压电器件及其制备方法。本发明首次成功制备了输出电压可达120V以上的压电器件，并且成功实现了柔性压电器件对电力设备的无线化振动传感。本发明具有明确的实用价值，对未来压电能量捕集设备和压电振动传感器的设计具有重要的参考意义。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：

本发明提供了一种柔性压电器件，包括同轴静电纺丝工艺制备的皮芯结构复合压电纤维膜、电极、引线和器件封装材料；所述电极位于皮芯结构复合压电纤维膜的两侧，器件封装材料设于电极的外侧；所述电极上设有引线。

作为本发明的一个实施方案，所述皮芯结构复合压电纤维膜的皮层聚合物为PVDF或PVDF-TrFE。本发明中所适用的静电纺丝压电纤维材料是以聚偏氟乙烯PVDF，或聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物PVDF-TrFE为基体的皮芯结构复合压电纤维材料。

作为本发明的一个实施方案，所述皮芯结构复合压电纤维膜的芯层聚合物为聚碳酸酯PC、聚甲基丙烯酸甲酯PMMA或丝素蛋白SF。

本发明还提供一种柔性压电器件的制备方法，所述方法包括如下步骤：

S1、将带有铝箔衬底的复合压电纤维膜剪裁成型，制得纤维膜片；

S2、将所述纤维膜片无衬底的一面粘附铝箔片作为电极，并在纤维膜片两侧的铝箔电极上设置铜导线；