CN102647111B - 磁力驱动的纳米发电机 - Google Patents

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Abstract

本发明公开依靠磁力驱动的纳米发电机及制备方法。本发明的磁力驱动的纳米发电机结构是：在由磁性粉末材料与聚合物材料混合制成的弹性基片上敷有与弹性基片相绝缘的压电材料，在压电材料的两端分别设置有连接导线的电极，所述的基片与压电材料用弹性绝缘材料封装制成发电器件，发电器件的两端，即发电器件沿丝状压电材料的长度方向的两端，分别固定于一个相对的刚性体上，在发电器件的表面，即基片平面的上面或下面设置有一个磁场强度可周期改变的磁场。

Description

磁力驱动的纳米发电机
技术领域
本发明涉及一种纳米发电机及这种发电机的制备方法，特别是一种依靠磁力驱动的纳米发电机及制备方法。
背景技术
纳米发电机是美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等在2006年首次提出并研制成功的基于纳米级压电材料的发电装置。参见：王中林，宋金辉，Science，April2006，Vol312，No.5771；王旭东，宋金辉，Science，April2007，Vol316，No.5821；秦勇，王旭东，Nature，February2008，Vol451，No.7180。这一装置可以整合纳米器件，为其它纳米器件提供能量，实现真正意义上的纳米系统。纳米发电机可以收集各种形式的机械能：比如人体运动、肌肉收缩等所产生的能量；声波引发震动产生的能量；体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量等等，并最终将这些能量转化为电能提供给纳米器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，从而让无纳米器件或纳米机器人实现能量自供。纳米发电机目前虽然仍没有投入到实际应用但其无论在生物医学、军事、无线通信和无线传感等方面广泛的应用前景是显而易见的。
目前，用于制作纳米发电机的材料主要分两种，分别是压电半导体与铁电材料。最初而且也是应用最多的是氧化锌纳米线，氧化锌作为一种半导体材料具有优异的光学、生物学性能。以它为核心制制作的纳米发电机既能靠其压电性能实现机械能向电能的转换，又能依靠其生物相容性把器件植入到生物体内。铁电材料普遍具有较高的压电系数，用它来制作的纳米发电机会有更高的输出电压。
纳米发电机虽然都是依靠机械能到电能的转化向外输出能量，但是由于机械能有着各种各样的表现形式，所以纳米发电机的驱动方式也有很多种。目前，已经出现的驱动方式主要有以下几种：1、依靠两片基底摩擦使基底上的纳米线弯曲，从而产生压电势。参见：秦勇，王旭东，Nature，February2008，Vol451，No.7180。2、弯曲弹性基底使处于拉伸面的压电材料拉伸，从而产生压电势。参见：朱光，杨如森，NanoLetters，July2010，Vol10，8。3、直接挤压使压电材料压缩，从而产生压电势。参见：胡友凡，张扬，徐晨，NanoLetters，November2010，Vol10，No.12。4、超声波驱动产生压电势。参见：王旭东，NanoLetters，May2007，Vol7，No.8。
发明内容
本发明提供一种制备工艺简单，制造成本低廉，重复性好，输出能量密度大，可在磁场力作用下实现无线驱动的压电材料纳米发电机，同时提供了这种电机的制备方法。
本发明的磁力驱动的纳米发电机结构如下：
在由磁性粉末材料与聚合物材料混合制成的弹性基片上敷有与弹性基片相绝缘的压电材料，在压电材料的两端分别设置有连接导线的电极，所述的基片与压电材料用弹性绝缘材料封装制成发电器件，发电器件的两端，即发电器件沿丝状压电材料的长度方向的两端，分别固定于两个刚性体上，在发电器件的表面，即基片平面的上面或下面设置有一个磁场强度可周期改变的磁场。本发明的发电机中：所用的磁性粉末材料可以铁粉或四氧化三铁粉或钴粉或镍粉；所使用的聚合物材料及封装器件用的聚合物材料均要求具有弹性，这些材料可以是：聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯或SU8胶，等；所用的压电材料可以是氧化锌或锆钛酸铅或铌酸锂或硫化镉或聚偏氟乙烯或钡钛氧或偏锡酸锌或锆钛酸钡钙，等。
本发明实施例中的发电器件所用的磁性材料为磁性粉末；所用的聚合物材料为聚二甲基硅氧烷。
本发明的一个实施例中，所使用的压电材料为锆钛酸铅；所用的磁性材料为铁粉或四氧化三铁粉末；所用的聚合物材料及弹性绝缘材料均采用了聚二甲基硅氧烷。
本发明的这种纳米发电机在使用时，当所设的磁场改变其磁场强度时，可对弹性基片的磁性材料产生周期性吸引，使敷在弹性基片上的压电材料发生周期性的弯曲，使压电材料的上下面分别产生拉伸和压缩，形成压电效应，产生电能。
本发明的发电机的制备方法如下：
a.制备出的压电材料的薄膜或线或带或纤维，或者制备出压电材料的粉体，再将粉体与粘合剂混合压制成膜或带；
b.将弹性聚合物与相应的固化剂按确定比例混合均匀，并在混合好的聚合物中添加磁性粉末，经混合均匀后摊平、固化处理；
c.当所用的磁性粉末为电导体时，在按b步骤制备出的片材上旋涂一层弹性的绝缘层，再将这一片材裁剪成设计要求的条状，得到弹性基片；当所用的磁性粉末为电绝缘体时免去本步骤；
d.将压电材料裁剪或铺设成设计要求的条状；
e.将将d步骤制备的条状的压电材料放置到制备好的弹性磁基片上并与基片紧密接触并展平；
f.在压电材料的两端制成电极并引出电线，再用弹性绝缘材料对前述基片进行封装，得到得到发电器件；
g.在弹性基片平面的上方或下方设置磁场强度可周期改变的磁场，构成完整的发电机。
上述本发明的制备方法中可采用电纺技术制备丝状压电材料，或者采用水热法或气象沉积制备出薄膜状或线状或带状或粉末状压电材料。
本发明的一个具体实例例的制备方法为：
a.制备出定向排列的锆钛酸铅压电材料丝状纤维；
b.将弹性聚合物与相应的固化剂按确定比例混合均匀，并在混合好的聚合物中添加磁性粉末，经混合均匀后摊平、固化处理；
c.当所用的磁性粉末为电导体时，在按b步骤制备出的片材上旋涂一层弹性的绝缘层，再将这一片材裁剪成设计要求的条状，得到弹性基片；当所用的磁性粉末为电绝缘体时免除本步骤；
d.将定向排列的压电材料丝状纤维裁剪成设计要求的条状；
e.将d步骤剪好的条状定向排列的压电材料丝状纤维放置到制备好的弹性磁基片上并与基片紧密接触并展平；
f.在丝状压电材料的两端制成电极并引出电线，再用弹性绝缘材料对前述基片进行封装，得到得到发电器件；
g.在由丝状压电材料长度方向构成的平面的上方或下方设置磁场强度可周期改变的磁场，构成完整的发电机。
前段所述的纳米发电机制备方法是采用了电纺技术制备出定向排列的锆钛酸铅压电材料丝状纤维。
本发明的一个具体的制备方法中，在完成e步骤后将塑料膜裁剪成适当的长条作为掩模板盖在弹性磁基片上的条状定向排列的锆钛酸铅丝状纤维的中间，并使条状定向排列的锆钛酸铅丝状纤维薄膜左右两边分别从作为掩模板的塑料膜边缘露出适当的宽度，再将覆盖好掩模板的基底与条状定向排列的锆钛酸铅丝状纤维薄膜左右两端用镀膜或溅射方法制出导电电极，除去用作掩模板的塑料膜，并在电极上引出导线，再将弹性基片及其上的锆钛酸铅丝状纤维薄膜、电极用弹性聚合物材料完全封装，得到发电器件。
本发明的优点在于：
1、本发明提供了一种非接触的依靠磁力驱动的无线纳米发电机。以往的纳米发电机不论使用什么材料都需要一种需要接触的驱动方式，而本发明却可以在封闭系统外部依靠磁场力向封闭系统内部供电能。
2、由于本发明为一种非接触的发电机，因此可以适用在一些特殊场合，如在动物体内。
3、本发明的无线驱动纳米发电机制备方法较为简便，工艺相对简单。
附图说明
附图1为用电纺技术制备的定向排列的锆钛酸铅(PZT)丝状纤维薄膜的纳米纤维扫描电镜照片。
附图2为定向电纺的锆钛酸铅(PZT)纳米纤维的XRD衍射谱图。
附图3为本发明的纳米发电机结构示意图，其中：1为铁粉与聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合固化后弹性基片；2为由聚二甲基硅氧烷(PDMS)构成的绝缘层；3为定向排列的锆钛酸铅(PZT)丝状纤维薄膜及其两端的电极；4为封装用的聚二甲基硅氧烷(PDMS)外壳。
附图4为本发明的发电机整体结构示意图。
附图5为由五个附图3所示的发电机串联集成纳米发电机器件实物的照片。
附图6为附图5所示的串联集成纳米发电机驱动电子手表LCD显示频工作光学照片。
附图7为附图5所示的串联集成纳米发电机器件输出信号。其中：a图为为电压输出信号；b图为电流输出信号。
附图8为附图5所示的串联集成纳米发电机持续工作2小时电压输出信号图。
具体实施方式
一、使用电纺技术制备定向排列锆钛酸铅(PZT)纳米纤维薄膜阵列。
将乙醇、乙酰丙酮、乙酸均匀混合，使用磁力搅拌搅拌5分钟制备出前驱体溶剂。然后加入PVP调节适当粘度，依次按照摩尔比加入钛酸四丁酯与乙酸丙酮锆并使用磁力搅拌搅拌1小时，最后加入碱式乙酸铅并在磁力搅拌器中搅拌均与，制备成透明均一的前驱体溶液。将前驱体溶液在电纺丝装置中纺丝，最后在600摄氏度以上烧结得到PZT纳米纤维。参见附图1与附图2，其中图1为电纺锆钛酸铅(PZT)纳米纤维薄膜的电镜照片，图2为电纺锆钛酸铅(PZT)纳米纤维薄膜的XRD衍射普图。
二、制备磁性粉末材料与聚合物材料混合制成的弹性基片
取弹性聚合物聚二甲基硅氧烷(PDMS)，并与固化剂按体积比十比一的比例混合均匀，然后在混合好的聚合物中按体积比一比一添加四氧化三铁的磁性粉末，均匀混合后浇筑到模具中在烘箱中固化两小时，得到图3中的部件1。取出已固化好的基片，并在其上旋涂一层聚合物层聚二甲基硅氧烷作为绝缘层，参见图3中的2，然后再次在烘箱中固化，最后将基片裁剪成长7毫米、宽0.5毫米的块状部件，其中用电纺得到的锆钛酸铅(PZT)纳米纤维薄膜的纤维长方向沿此块状部件的宽度方向设置，如此得到弹性并具有磁性基片，既图3中的1和2构成的部件。
三、制备锆钛酸铅(PZT)纳米纤维无线驱动纳米发电器件
将制备好的锆钛酸铅(PZT)纳米纤维薄膜裁剪成700微米宽5毫米长的条状放置到制备好的弹性磁基片上并与基片紧密接触，良好展平。把塑料膜裁剪成500微米宽的长条作为掩模板盖在PZT薄膜中间，使左右两边分别曝露出100微米宽度。再将覆盖好掩模板的基底与PZT薄膜样品在镀膜装置中镀一层导电层。取下用保鲜膜制作的掩模板并在电极上引出导线。最后用聚二甲基硅氧烷(PDMS)封装用的聚合物将样品封装，加热固化后锆钛酸铅(PZT)纳米纤维无线驱动纳米发电机制备完成。整个器件结构参见附图4，由五个前述器件串联集成的发电机器件实物照片见附图5。
四、锆钛酸铅(PZT)纳米纤维无线驱动纳米发电机的测试。
如果电纺的PZT纳米纤维薄膜是多晶结构的，在进行测试前需对样品极化。其做法是：将器件放在热板上在130摄氏度按站每微米长度4伏的电压极化10分钟，保持极化电压降温度由130摄氏度降低到室温，极化完成。
把极化好的器件两端固定在支架上，导线与电测量系统相连。器件工作时在器件附近提供周期变化的磁场，变化频率为34周期每分钟。每当磁场加大时，弹性磁基底在磁场力作用下产生弯曲、拉伸，基底上的PZT纳米纤维也随基底的拉伸而拉伸从而产生压电势，向外输出电信号。输出的电压与电流信号参见附图7。附图7a为输出电压信号，电压峰值是3.2伏特。附图7b为输出电流信号，电流峰值是50纳安。随后应用此器件与LCD显示屏连接，随着器件工作LCD显示屏可以持续显示，参见附图6。本实验的LCD取自电子手表显示屏。由此可得，本发明通过大量样品集成可以得到更大输出能量，输出能量足以驱动一些普通电子器件或电子商品工作。
五、器件耐久测试，
如图5所示的由5条发电器件串联构成的器件连续工作2小时的电压输出情况参见附图8，随时间增加，直到2小时后输出信号仍然没有明显变化。由此测试可以看出本发明的器件足够牢固，不易损坏。

Claims (7)

1.磁力驱动的纳米发电机，其特征在于在由磁性粉末材料与弹性聚合物材料混合制成的弹性基片上敷有与弹性基片相绝缘的压电材料，在压电材料的两端分别设置有连接导线的电极，所述的弹性基片与压电材料用弹性绝缘材料封装制成发电器件，发电器件的两端，即发电器件沿丝状压电材料的长度方向的两端，分别固定于两个刚性体上，在发电器件的表面，即弹性基片平面的上面或下面设置有一个磁场强度可周期改变的磁场。
2.根据权利要求1所述的磁力驱动的纳米发电机，其特征在于：所用的弹性聚合物材料为聚二甲基硅氧烷。
3.根据权利要求2所述的磁力驱动的纳米发电机，其特征在于：所用的压电材料是锆钛酸铅。
4.权利要求1所述的磁力驱动的纳米发电机的制备方法，其特征在于：
a.制备出的压电材料的薄膜或线或带或纤维，或者制备出压电材料的粉体，再将粉体与粘合剂混合压制成膜或带；
b.将弹性聚合物与相应的固化剂按确定比例混合均匀，并在混合好的聚合物中添加磁性粉末，经混合均匀后摊平、固化处理；
c.当所用的磁性粉末为电导体时，在按b步骤制备出的片材上旋涂一层弹性的绝缘层，再将这一片材裁剪成设计要求的条状，得到弹性基片；当所用的磁性粉末为电绝缘体时免去本步骤；
d.将压电材料裁剪或铺设成设计要求的条状；
e.将d步骤制备的条状的压电材料放置到制备好的弹性基片上并与弹性基片紧密接触并展平；
f.在压电材料的两端制成电极并引出电线，再用弹性绝缘材料对弹性基片与压电材料贴合之后中的整体进行封装，得到得到发电器件；
g.在弹性基片平面的上方或下方设置磁场强度可周期改变的磁场，构成完整的发电机。
5.根据权利要求4所述的磁力驱动的纳米发电机的制备方法，其特征在于采用电纺技术制备丝状压电材料，或者采用水热法或气相沉积制备出薄膜状或线状或带状或粉末状压电材料。
6.根据权利要求3所述的磁力驱动的纳米发电机制备方法，其特征在于：
a.制备出定向排列的锆钛酸铅压电材料丝状纤维；
b.将弹性聚合物与相应的固化剂按确定比例混合均匀，并在混合好的聚合物中添加磁性粉末，经混合均匀后摊平、固化处理；
c.当所用的磁性粉末为电导体时，在按b步骤制备出的片材上旋涂一层弹性的绝缘层，再将这一片材裁剪成设计要求的条状，得到弹性基片；当所用的磁性粉末为电绝缘体时免除本步骤；
d.将定向排列的压电材料丝状纤维裁剪成设计要求的条状；
e.将d步骤剪好的条状定向排列的压电材料丝状纤维放置到制备好的弹性基片上并与基片紧密接触并展平；
f.在丝状压电材料的两端制成电极并引出电线，再用弹性绝缘材料对弹性基片与压电材料贴合之后的整体进行封装，得到得到发电器件；
g.在由丝状压电材料长度方向构成的平面的上方或下方设置磁场强度可周期改变的磁场，构成完整的发电机。
7.根据权利要求6所述的的磁力驱动的纳米发电机制备方法，其特征在于：采用电纺技术制备出定向排列的锆钛酸铅压电材料丝状纤维。
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