CN103684044B - 压电薄膜发电器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于新能源技术领域，特别是涉及一种压电薄膜发电器及其制作方法，该压电薄膜发电器包括基底，所述基底上设有压电薄膜，所述压电薄膜的两端分别垂直地设有薄膜电极，压电薄膜两端的薄膜电极通过导线连接形成闭合回路，闭合回路中接入蓄电设备；基底的一侧与外部动力机构连接，外部动力机构为基底提供机械能。其中，压电薄膜采用低熔点金属油墨在所述基底上印刷或涂覆而成。本发明利用了低熔点金属油墨与基底表面的亲和特性，通过印刷或涂覆方式制备用于动能捕获的压电发电器件，可直接印刷或涂覆在衣物、房屋墙壁、门窗、广告牌等基底表面，制备过程在常规条件下即可完成，降低了对环境的要求，可实现压电薄膜发电器的规模化普及应用。
Description
技术领域
本发明涉及新能源技术领域，特别是涉及一种可直接印刷或涂覆在衣物、房屋墙壁、门窗、广告牌等基底表面的压电薄膜发电器及其制作方法。
背景技术
压电效应是材料中一种机械能与电能互换的现象，最早于1880年由居里兄弟发现。压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到广泛的应用。近年来，由于能源问题的重要性，利用压电效应捕获各类机械能的研究受到了国内外的广泛重视，这类发电机主要是由作用力引起力-电转化效应进而发电的。
通常，用于制作发电机的材料主要包括两类：类似于钡钛酸盐(BaTiO3)或铅锆酸盐、铅钛酸盐(PZT-5A,PZT-5H)的压电陶瓷，以及类似于聚偏二氟乙烯(PVDF)的压电聚合物。在这些材料中，PZT的脆性严重制约了其应用范围。相比之下，PVDF的柔性和强度都因体积因数的减少而大得多，不过其电耦合效率也低许多。近来的研究显示，组分为PZT或PVDF的纤维在聚合物基质上经微纤维复合加工得到的复合压电纤维(PFC)，可同时表现出较好的柔性和耦合效率。然而，基于上述材料的传统压电发电器制备过程和工艺十分复杂，限制了其广泛应用。
目前，国际上报道了采用氧化锌(ZnO)纳米线压电材料将纳米级机械变形转化为电能的方法。氧化锌是由ⅡB族元素Zn和Ⅵ族元素O化合而成的半导体材料，在各种具有四面体结构的半导体材料中，氧化锌有着最高的压电张量。该特性使得氧化锌成为机械电耦合重要的材料之一。ZnO纳米线具有独特的压电效应，可以同时将变形转化为电能并且显示出Schotty半导体特性。最初的实验是通过原子力显微镜(AFM)去弯折纳米线，可以得到几毫伏电压。在这一实验的基础上，由超声波驱动的直流纳米发电机相继被开发出来，可得到数伏电压的量级，逐渐趋于实用。这一方法提供了适应性强的发电方案，可以将多种人体能量带来的机械振动、超声或者是液压能转化为所需的电能。然而，这类基于纳米线或其阵列制成的发电器仍然存在着制备和集成上的较大困难，瓶颈在于纳米线制备和有序排列、组装、电路连接与焊接等精细环节所要求的工艺较为复杂，对于规模化工业生产尚存一定难度。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何将压电薄膜发电器直接印刷或涂覆在衣物、房屋墙壁、门窗、广告牌等基底表面，并实现压电薄膜发电器的规模化普及应用。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压电薄膜发电器，包括基底，所述基底上设有压电薄膜，所述压电薄膜的两端分别垂直地设有薄膜电极，所述压电薄膜两端的薄膜电极通过导线连接形成闭合回路，所述闭合回路中接入蓄电设备；所述基底的一侧与外部动力机构连接，所述外部动力机构为基底提供机械能。
其中，所述压电薄膜采用低熔点金属油墨在所述基底上印刷或涂覆而成。
其中，所述低熔点金属油墨为：采用添加有纳米压电颗粒和/或导电性纳米颗粒的低熔点金属或合金制成，或采用添加有纳米压电颗粒和/或导电性纳米颗粒的低熔点金属或合金经氧化处理而成。
其中，所述薄膜电极采用低熔点金属在所述基底上印刷或涂覆而成。
其中，所述低熔点金属包括：镓、锌、钠、钾和汞中的至少一种；所述低熔点合金包括：镓锌合金、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金或钠钾合金中的至少一种。
其中，采用具有生物相容性的封装材料将所述基底、压电薄膜、薄膜电极、导线和蓄电池进行封装。
其中，所述压电薄膜为一根或多根。
其中，所述基底为衣物、屋顶、玻璃、门窗、墙壁、广告牌、车辆外壁、轮船外壁、飞机外壁或路面。
本发明还提供一种压电薄膜发电器的制作方法，包括以下步骤：S1、以一种或多种低熔点金属配制成流动性满足喷涂要求的金属溶液，并对之予以搅拌确保金属部分氧化而形成低熔点金属油墨；S2、确定待喷涂的基底，将配制好的低熔点金属油墨以薄膜线的形式印刷或涂覆在基底上，形成发电的压电薄膜；或直接将低熔点金属油墨印刷或涂覆在基底后作氧化处理形成压电薄膜；S3、再将低熔点金属以电极的形式印刷或涂覆在压电薄膜的两端形成薄膜电极，压电薄膜两端的薄膜电极通过导线连接形成闭合回路，并在所述闭合回路中接入蓄电设备；S4、将所述基底的一侧与外部动力机构连接。
其中，在步骤S4之后还包括步骤S5：采用具有生物相容性的封装材料对所述基底、压电薄膜、薄膜电极和蓄电池进行封装。
(三)有益效果
上述技术方案提供的一种压电薄膜发电器及其制作方法，在基底上设有压电薄膜，并在压电薄膜的两端分别垂直地设有薄膜电极，压电薄膜两端的薄膜电极通过导线连接形成闭合回路，并在基底的一侧与外部动力机构连接，该外部动力机构为基底提供机械能，该发电器用于捕获机械能；且该制作方法利用了低熔点金属油墨与基底表面的亲和特性，通过印刷或涂覆方式制备用于动能捕获的压电发电器件，可直接印刷或涂覆在衣物、房屋墙壁、门窗、广告牌等基底表面，制备过程在常规条件下即可完成，降低了对环境的要求，可显著简化压电发电器件的制备工艺，提高了制作效率，可实现压电薄膜发电器的规模化普及应用。
附图说明
图1是本发明实施例一和实施例二的结构示意图；
图2是本发明实施例三的结构示意图；
图3是本发明实施例四的结构示意图。
其中，1、基底；2、压电薄膜；3、薄膜电极；4、导线；5、蓄电设备。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
如图1，本发明的一种压电薄膜发电器，包括基底1，该基底1上设有压电薄膜2，压电薄膜2的两端分别垂直地设有薄膜电极3，压电薄膜2两端的薄膜电极3通过导线4连接形成闭合回路，该闭合回路中接入蓄电设备5；基底1的一侧与外部动力机构连接，该外部动力机构为基底1提供机械能。其中，蓄电设备5包括蓄电池或充电电池。导线4为铜导线。在闭合回路中还可以接入用电设备以回收利用电能，其包括电子计算机或便携式电子设备。
与基底1连接的外部动力机构包括：人体动能、风能、动力机械、水能、振动能或声音能。
基底1可为衣物、屋顶、玻璃、门窗、墙壁、广告牌、车辆外壁、轮船外壁、飞机外壁或路面。
压电薄膜2可设置为一根或多根，多根压电薄膜可呈阵列式布置或呈一排布置，可提升压电薄膜2的电量。压电薄膜2采用低熔点金属油墨在基底1上印刷或涂覆而成。该低熔点金属油墨为：采用添加有纳米压电颗粒的低熔点金属或合金制成，或采用添加有纳米压电颗粒的低熔点金属或合金经氧化处理而成。
低熔点金属油墨为：含有0.1wt％～10wt％氧化物的低熔点金属或合金，或含有0.1wt％～10wt％氧化物并掺有0.01wt％～80wt％纳米压电颗粒和/或导电性纳米颗粒的低熔点金属或合金，该低熔点金属油墨借助笔型装置、印刷或涂覆设备或蘸有该油墨的刷子印刷或涂覆在基底1的表面，形成线型压电薄膜。笔型装置包括：钢笔式笔型装置、圆珠笔式笔型装置、印刷或涂覆设备或喷头式笔型装置；刷子包括毛笔、油画笔或油漆刷。
薄膜电极3采用低熔点金属在基底1上印刷或涂覆而成，该低熔点金属中可掺有纳米压电颗粒和/或导电性纳米颗粒。
为了避免使用中皮肤直接接触金属受到感染，本发明采用封装材料将基底1、压电薄膜2、薄膜电极3、导线4和蓄电设备5进行封装。该封装材料具有生物相容性，其包括生物相容性聚四氟乙烯。
其中，低熔点金属包括：镓、锌、钠、钾和汞中的至少一种；低熔点合金包括：镓锌合金、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金或钠钾合金中的至少一种。
上述的纳米压电颗粒采用压电材料制成，该压电材料为粒径1nm～900nm的压电单晶、压电陶瓷、压电高聚物及薄膜型材料，可为铌酸锂、氧化锌、钡钛酸盐(BaTiO3)、铅锆酸盐、铅钛酸盐(PZT-5A,PZT-5H)、偏铌酸盐系压电陶瓷或聚偏二氟乙烯(PVDF)压电聚合物颗粒，偏铌酸盐系压电陶瓷可为偏铌酸钾钠(Na0.5·K0.5·NbO3)或偏铌酸锶钡(Bax·Sr1-x·Nb2O5)。
导电性纳米颗粒为粒径1nm～900nm的铂、金、银、铜、铁、铝、锑、铋、镉、锗、镍、铑、钽、铅、钨、铼、康铜、钨铼合金或镍镉合金、碳纳米管、石墨烯中的一种；所述基底为塑料、橡胶、硅、玻璃、丝织物、PDMS、陶瓷、纸中的至少一种。
本发明还提供一种压电薄膜发电器的制作方法，该方法为上述技术方案所述的压电薄膜发电器的制作方法，其包括以下步骤：
S1、以一种或多种低熔点金属配制成流动性满足喷涂要求的金属溶液，并对之予以搅拌确保金属部分氧化而形成低熔点金属油墨；
S2、确定待喷涂的基底1，将配制好的低熔点金属油墨以薄膜线的形式印刷或涂覆在基底1上，形成发电的压电薄膜2；或直接将低熔点金属油墨印刷或涂覆在基底后作氧化处理形成压电薄膜2；
S3、再将低熔点金属以电极的形式印刷或涂覆在压电薄膜2的两端形成薄膜电极3，压电薄膜2两端的薄膜电极3通过导线4连接形成闭合回路，并在该闭合回路中接入蓄电设备5；
S4、将基底1的一侧与外部动力机构连接。
进一步地，该方法还包括步骤S5：采用具有生物相容性的封装材料对基底1、压电薄膜2、薄膜电极3和蓄电设备5进行封装形成发电器。
进一步地，为了提升压电薄膜2的电学特性和压电特性，在步骤S1中的低熔点金属油墨中添加有纳米压电颗粒和/或导电性纳米颗粒。
上述技术方案所提供的一种压电薄膜发电器及其制作方法，用于捕获机械能，利用了低熔点金属油墨与基底表面的亲和特性，通过印刷或涂覆方式制备用于动能捕获的压电发电器件，可直接印刷或涂覆在房屋墙壁、门窗、广告牌等基底表面，制备过程在常规条件下即可完成，降低了对环境的要求，可显著简化压电发电器件的制备工艺，提高了制作效率，可实现压电薄膜发电器的规模化普及应用。使用该方法得到的压电发电器件，可广泛用于回收大量动力机械乃至自然环境中的机械能，尤其通过印刷或涂覆在服装上，可随时捕获人体动能，大大提高了一次能源的利用效率，同时拓展了压电发电器的应用范围。
以下列举几个具体的实施例：
实施例一
如图1，本实施例中基底1选用1mm厚的棉布；在室温下将直径为200nm的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电聚合物纳米颗粒按重量比50％添加到含有0.25wt％镓氧化物的液态镓中，制成有一定流动性的低熔点金属油墨，之后将该低熔点金属油墨以线的形式印刷或涂覆在基底1表面上，形成压电薄膜2。
之后，在室温下将含有0.25wt％镓氧化物的液态镓从压电薄膜2的上下两端分别以线的形式垂直印刷或涂覆在基底1表面上，形成薄膜电极3。压电薄膜2两端的薄膜电极3通过导线4连接形成闭合回路，并在闭合回路的导线4上接入蓄电设备5，便完成了本实施例的压电发电器的制作。最后，将基底1的一侧连接到外部动力机构。
实施例二
如图1，本实施例中基底1选用1mm厚的棉布；将含有0.25wt％镓氧化物的液态镓与纯锌加热混合成重量比为0.2：0.8的低熔点合金金属，制成有一定流动性的低熔点金属油墨，之后将该低熔点金属油墨以线的形式印刷或涂覆在基底1表面上，形成合金薄膜(由于是中间产物，图2上未标出)；之后，将涂有低熔点合金油墨的合金薄膜连同基底1移至封闭性良好的氧气瓶中，升温至200℃或更高温，保持3小时或更长时间，合金薄膜被氧化，其中的锌氧化物具有压电效应，由此形成压电薄膜2；此氧化过程也可采用微波、射频、激光等加热作用方式实现。
进一步地，在室温下将含有0.25wt％镓氧化物的液态镓从压电薄膜2的上下两端分别以线的形式垂直印刷或涂覆在基底1表面上，形成薄膜电极3；压电薄膜2两端的薄膜电极3通过导线4连接形成闭合回路，并在闭合回路的导线4上接入蓄电设备5，便完成了本实施例的压电发电器的制作。最后，将基底1的一侧连接到外部动力机构。
实施例三
如图2，与实施例1和实施例2不同的是，本实施例的压电发电器不只有一个压电转换回路构成，而是由多个压电薄膜呈一排布置的转换回路组合而成，由此可获得更大量的电能，从而更适应实际需求。
基底1选用1mm厚的涤纶布；在室温下将直径为200nm的聚偏二氟乙烯(PVDF)压电聚合物纳米颗粒按重量比50％添加到含有0.25wt％镓氧化物的液态镓中，制成有一定流动性的低熔点金属油墨，之后将该低熔点金属油墨以线的形式印刷或涂覆在基底1表面上，再以一定的间隔重复印出100根平行的压电薄膜2，由此形成排列式的压电薄膜。
之后，在室温下将含有0.25wt％镓氧化物的液态镓从整排的压电薄膜的上下两端分别以线的形式垂直印刷或涂覆在基底1表面上，形成薄膜电极3；压电薄膜2两端的薄膜电极3通过导线4连接形成闭合回路，并在闭合回路的导线4上接入蓄电设备5，便完成了本实施例的排列式压电发电器的制作。最后，将基底1的一侧连接到外部动力机构。
实施例四
如图3，与实施例3不同的是，本实施例的压电发电器不只由排列式压电转换回路构成，而是由多层排列式压电薄膜转换回路组合而成，由此进一步获得更大量的电能，从而更适应实际需求。
其中，阵列型压电转换结构与实施例3完全一致。每个基底1上制作出100根平行的压电薄膜2形成一排压电薄膜后，重复该步骤，在20个基底1制作出20排同样结构的压电薄膜阵列，将该20排压电薄膜阵列叠加到一起，形成阵列式的压电薄膜；最后，再度将含有0.25wt％镓氧化物的液态镓从阵列式的压电薄膜的上下两端分别以面的形式垂直印刷或涂覆在基底1表面上，形成薄膜电极3；压电薄膜2两端的薄膜电极3通过导线4连接形成闭合回路，并在闭合回路的导线4上接入蓄电设备5，便完成了本实施例阵列式的的压电发电器。最后，将基底1的一侧连接到外部动力机构。
实施例五
本实施例5为与实施例3类似的阵列式压电发电器，但与实施例3不同的是，本实施例的压电薄膜2并非在低熔点金属中添加压电纳米颗粒制成，而是将含有0.25wt％镓氧化物的液态镓与纯锌加热混合成重量比为0.2：0.8的低熔点合金，制成有一定流动性的低熔点金属油墨，之后将该低熔点金属油墨以线的形式印刷或涂覆在基底1表面上，重复印刷或涂覆出100根平行的压电薄膜，之后，将该排列式压电薄膜连同基底移至封闭性良好的氧气瓶中，升温至600℃，保持3小时，合金薄膜即被氧化，由于其中的锌氧化物具有压电效应，即形成排列式的压电薄膜2；此氧化过程也可采用微波、射频、激光等加热作用方式实现。
此后，在室温下将含有0.25wt％镓氧化物的液态镓从层形的压电薄膜2的上下两端分别以线的形式垂直印刷或涂覆在基底1表面上，形成薄膜电极3；压电薄膜2两端的薄膜电极3通过导线4连接形成闭合回路，并在闭合回路的导线4上接入蓄电设备5，便完成了本实施例的排列式压电发电器的制作。最后，将基底1的一侧连接到外部动力机构。
实施例六
本实施例6为与实施例4类似的阵列式压电发电器，但与实施例4不同的是，本实施例的压电薄膜并非在低熔点金属中添加压电纳米颗粒制成，而是将含有0.25wt％镓氧化物的液态镓与纯锌加热混合成重量比为0.2：0.8的低熔点金属合金，制成有一定流动性的低熔点金属油墨，之后将该低熔点金属油墨以线的形式重复印刷或涂覆在基底1表面上，每个基底1上重复印刷或涂覆出总数为100根平行的压电薄膜，由此形成排列式压电薄膜；重复以上步骤，在20个基底1上分别形成20排该排列式压电薄膜；之后，将这些排列式压电薄膜连同基底1移至封闭性良好的氧气瓶中，升温至60℃，保持3小时，合金薄膜即被氧化；最后将该20层压电薄膜阵列叠加在一起，由于其中的锌氧化物具有压电效应，形成阵列式的压电薄膜2。
此后，在室温下将含有0.25wt％镓氧化物的液态镓从层叠状的压电薄膜2的上下两端分别以面的形式垂直印刷或涂覆在基底1表面上，形成薄膜电极3；压电薄膜2两端的薄膜电极3通过导线4连接形成闭合回路，并在闭合回路的导线4上接入蓄电设备5，便完成了本实施例的阵列式压电发电器的制作。最后，将基底1的一侧连接到外部动力机构。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种压电薄膜发电器，其特征在于，包括基底，所述基底上设有压电薄膜，所述压电薄膜的两端分别垂直地设有薄膜电极，所述压电薄膜两端的薄膜电极通过导线连接形成闭合回路，所述闭合回路中接入蓄电设备；所述基底的一侧与外部动力机构连接，所述外部动力机构为基底提供机械能；
所述压电薄膜采用低熔点金属油墨在所述基底上印刷或涂覆而成。
2.如权利要求1所述的压电薄膜发电器，其特征在于，所述低熔点金属油墨为：采用添加有纳米压电颗粒和/或导电性纳米颗粒的低熔点纯金属或低熔点合金制成，或采用添加有纳米压电颗粒和/或导电性纳米颗粒的低熔点纯金属或低熔点合金经氧化处理而成。
3.如权利要求1所述的压电薄膜发电器，其特征在于，所述薄膜电极采用低熔点纯金属在所述基底上印刷或涂覆而成。
4.如权利要求2所述的压电薄膜发电器，其特征在于，所述低熔点纯金属包括：镓、锌、钠、钾和汞中的一种；所述低熔点合金包括：镓锌合金、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金或钠钾合金中的至少一种。
5.如权利要求1所述的压电薄膜发电器，其特征在于，采用具有生物相容性的封装材料将所述基底、压电薄膜、薄膜电极、导线和蓄电池进行封装。
6.如权利要求1所述的压电薄膜发电器，其特征在于，所述压电薄膜为一根或多根。
7.如权利要求1所述的压电薄膜发电器，其特征在于，所述基底为衣物、屋顶、玻璃、门窗、墙壁、广告牌、车辆外壁、轮船外壁、飞机外壁或路面。
8.一种压电薄膜发电器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、以一种或多种低熔点金属配制成流动性满足喷涂要求的金属溶液，并对之予以搅拌确保金属部分氧化而形成低熔点金属油墨；
S2、确定待喷涂的基底，将配制好的低熔点金属油墨以薄膜线的形式印刷或涂覆在基底上，形成发电的压电薄膜；或直接将低熔点金属油墨印刷或涂覆在基底后作氧化处理形成压电薄膜；
S3、再将低熔点金属以电极的形式印刷或涂覆在压电薄膜的两端形成薄膜电极，压电薄膜两端的薄膜电极通过导线连接形成闭合回路，并在所述闭合回路中接入蓄电设备；
S4、将所述基底的一侧与外部动力机构连接。
9.如权利要求8所述的压电薄膜发电器的制作方法，其特征在于，在所述步骤S4之后还包括步骤S5：采用具有生物相容性的封装材料对所述基底、压电薄膜、薄膜电极和蓄电池进行封装。
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