CN104291264B - 一种基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件及其制备方法。所述器件自下而上依次包括：柔性基材、电极层、压电纤维层、保护层；所述柔性基材为柔性绝缘塑料薄膜；所述压电纤维层为PVDF纤维。通过采用柔性基材，采用照相制版工艺制备梳状电极，并选择合适的静电纺丝参数沉积PVDF压电纤维，无需再对压电纤维进行极化，使纤维整齐排列、减小纤维缺陷，能够简化纳米压电纤维能量捕获器件制备工艺，提高能量转换效率，尤其是对弯曲运动机械能的捕获效果。
Description
技术领域
本发明属于能源技术领域，更具体地，涉及一种基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件及其制备方法。
背景技术
近年来随着能源危机的爆发和微机电系统(MEMS)技术的快速发展，对微型能量捕获器提出了新的要求，其应用范围也扩展到植入式医疗设备和可穿戴电子产品。目前，采用压电原理的微型振动能量捕获器，通过压电效应将弯曲、振动、挤压等动作产生的机械能转化为电能，并提供给相应电子器件。
基于硅基工艺的传统MEMS技术，多采用压电陶瓷等制造能量捕获器件，主要集中在对振动运动的捕获，且制造基材为刚性基板硅，无法实现对弯曲运动的能量收集，为了更好的适应工作环境，提高能量捕获效率。近年来采用压电聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)的能量捕获器件得到广泛关注，由于其具有良好的压电性能、稳定的化学性能，生物相容性等，其逐渐代替原有的能量捕获装置。
PVDF是一种稳定的柔性的有机材料，属于长链分子的高分子聚合物，只有极化后才具有强压电性，其晶型主要包括4种：α相，β相，γ相，d相。通常状态下PVDF都以α晶相存在，而只有β晶相的才具有良好的压电性。传统的压电传感器和能量捕获器采用PVDF薄膜作为功能层，主要采用旋涂的方式获得，并需要进一步对薄膜进行极化，通常采用的方法包括热极化、高压极化、拉伸极化等，最终获得的薄膜功能层往往缺陷较多，同时压电系数较低。
为了改善这一现象，采用静电纺丝工艺制造的由纳米纤维组成的无纺布被用作能量捕获器得到广泛研究。其优势体现在PVDF作为高分子材料，容易制成溶液，可以与电纺丝技术更好的结合。Lin等(JuanPu,XiaojunYan,YadongJiang,etal.Piezoelectricactuationofdirect-writeelectrospunfibers.SensorsandActuatorsA:Physical,2010,164(1):131-136)采用近场电纺丝技术制造了单根PVDF。由于单根纤维输出功率有限，这篇文献只是在原理上进行了验证，仅是将单根纤维悬停在两个平行电极上，未提出完整的器件方案。之所以仅采用单根PVDF，是由于近场电纺丝采取蘸取溶液的方式，无法长时间喷射；同时由于纺丝过程中液滴容易滴落，导致喷射中断，因此通过这种方式很难得到多根PVDF纤维。后来，另一篇文献(ChangJ,LinL.LargearrayelectrospunPVDFnanogeneratorsonaflexiblesubstrate//Solid-StateSensors,ActuatorsandMicrosystemsConference(TRANSDUCERS),201116thInternational.IEEE,2011:747-750)采用了梳状电极，以及纤维阵列，由于采用近场电纺丝直接铺敷在梳状电极上的纤维极化方向不一致，而为了保证电压产生单元并联，需要将纤维极化方向统一，即，相邻梳状电极之间的纤维的极化方向要保持一致，因此纤维通过近场电纺丝直接沉积后需要进行后续极化，工艺过程复杂。Wang等(HansenBJ,LiuY,YangR,etal.Hybridnanogeneratorforconcurrentlyharvestingbiomechanicalandbiochemicalenergy.ACSnano,2010,4(7):3647-3652)采用无序的纤维制造了用于生物体内的能量捕获器，虽然基板为柔性塑料聚酰亚胺，但由于采用滚筒收集，一方面纤维排列不够整齐，另一方面收集的纤维极化方向随机分布，形成的无纺布再制造的器件信号输出较弱，这两方面因素均导致器件的效率低。专利CN102393264A公布了一种基于纳米压电纤维的压力传感器，虽然明确提出了采用PVDF纳米压电纤维直接写在两个金属电极上，但无整个传感器的具体结构，且在实际操作中纤维排列杂乱无章，无法控制纤维极化方向，同时没有封装层，另一方面基板为硅基底，只能作为压力信号的捕捉。专利CN103532430A公布了一种基于压电材料的柔性微型能量采集器，虽然文中提出压电层采用静电纺丝工艺或者旋涂工艺，但由于无法直接获得极化的压电材料，同时又未有后续极化工序，从理论上讲，产生的电压将互相抵消，输出功率非常小。
发明内容
针对现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件及其制备方法，其中通过对其关键工艺步骤及结构譬如基材、电纺丝过程、封装工艺等进行改进，与现有技术相比能够有效解决压电纤维极化工艺复杂、极化后压电纤维缺陷多、压电系数较低的问题，达到简化纳米压电纤维能量捕获器件制备工艺，提高能量转换效率(尤其是对弯曲运动能量的捕获)的技术效果。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将柔性基材根据所需目标器件尺寸进行剪裁，并对所述柔性基材进行清洗、干燥，确保所述柔性基材表面洁净与干燥；接着，采用照相制版工艺在所述柔性基材上沉积电极层，所述电极层直接沉积在所述柔性基材表面，所述电极层为梳状电极；
(2)配制高分子聚合物PVDF溶液，将所述PVDF溶液充满与高压发生器正极相连的金属喷嘴中；并且，在所述金属喷嘴下方放置与高压发生器地级相连的金属阴极收集板，在所述收集板上放置沉积有所述电极层的所述柔性基材；所述金属喷嘴距离所述收集板的距离为2mm-10mm；使所述高压发生器产生1.2kV-2.1kV的电压，所述柔性基材的移动速度为100mm/s-400mm/s，在所述电极层上沉积多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维形成压电纤维层；所述多条PVDF纳米压电纤维直接沉积在所述梳状电极上，所述多条PVDF纳米压电纤维的轴向垂直于所述梳状电极的梳齿方向，且所述多条PVDF纳米压电纤维的极化方向一致；
(3)对所述多条PVDF纳米压电纤维进行切断处理，隔行切断所述梳状电极相邻梳齿之间的所述多条PVDF纳米压电纤维，以避免电荷抵消；接着，在所述多条PVDF纳米压电纤维上形成保护层，并干燥所述保护层。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中所述金属喷嘴距离所述收集板的距离优选为2mm；所述高压发生器优选产生1.7kV的电压，所述柔性基材的移动速度优选为200mm/s。
作为本发明的进一步优选，所述柔性基材为聚酯薄膜PET或聚酰亚胺薄膜PI。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中的多条PVDF纳米压电纤维是按矩形状轨迹先后沉积的。
作为本发明的进一步优选，所述步骤(3)中的保护层为聚二甲基硅氧烷PDMS。
在本发明所构思的以上技术方案中，由于静电纺丝时，基材运动的方向垂直于电场方向，通过选择合适的基材运动速度，利用纺丝纤维和基板的黏合力可以实现对纤维沉积的快速定位，尤其对于纤维阵列(如多条纤维等)，可以实现在基板高速运动速度下的定位和沉积，使纤维阵列排列整齐；而另一方面，通过选择合适的电场强度(对应于电压值、金属喷嘴与收集板间的间距参数)，由于电场对射流的拉伸，在电场力和基板拉力的共同作用下，促使PVDF纤维中无压电效应的α晶相向β晶相转化，在纺丝结束后，无须额外工艺即可保证纤维的高极化程度。另外，通过对基材运动方向和电场方向的控制，可以随意控制纤维的极化方向，得到理想的纤维图案。通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于通过对柔性基材的具体材料进行验证，并经多次实验验证选择合适的静电纺丝参数(如基板移动速度、电压值、金属喷嘴与收集板间的间距)，无需对纺丝纤维进行单独极化即可制备得到压电纤维，能够取得简化纳米压电纤维能量捕获器件制备工艺、使纤维排列整齐、减小纤维缺陷、并提高能量转换效率(尤其是对弯曲运动能量的捕获)的有益效果。
按照本发明的另一个方面，提供了根据上述方法制备得到的一种基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件，其特征在于，自下而上依次包括：柔性基材、电极层、压电纤维层、保护层；所述柔性基材为柔性绝缘塑料薄膜；所述压电纤维层为多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维，并且所述多条PVDF纳米压电纤维的极化方向一致；所述电极层为梳状电极，所述多条PVDF纳米压电纤维直接沉积在所述电极层上，所述梳状电极相邻梳齿之间的所述多条PVDF纳米压电纤维被隔行切断。
作为本发明的进一步优选，所述柔性基材为聚酯薄膜PET或聚酰亚胺薄膜PI。
作为本发明的进一步优选，所述电极层为铜、铝或碳纳米管。
作为本发明的进一步优选，所述保护层为聚二甲基硅氧烷PDMS。
通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于采用柔性基材，并选择合适的静电纺丝参数，无需对纺丝纤维进行单独极化，能够取得使纤维排列整齐、缺陷少，并提高器件能量转换效率(尤其是对弯曲运动能量的捕获)的有益效果。
附图说明
图1是基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件的结构示意图，其中1为柔性基材，2为电极层，3压电纤维层，4为保护层；
图2是PVDF纳米压电纤维的沉积轨迹的俯视图；
图3是纤维阵列的侧视图，图3中平行于PVDF纤维的箭头表示压电纤维的极化方向；
图4是采用半导体测试仪针对实施例1测得的弯曲应变循环下的电流信号输出。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所述，该基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件自下而上依次包括柔性基材1、电极层2、压电纤维层3、封装保护层4，其中柔性基材1为PET薄膜，电极层2为铜，压电纤维层3为PVDF纤维，封装保护层4为聚二甲基硅氧烷PDMS。
该基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件的制备方法包括如下步骤：
(1)将PET薄膜根据所需目标器件尺寸进行剪裁，PET薄膜长为40mm，宽20mm，厚度0.12mm；然后，对所述PET薄膜进行清洗、干燥，确保所述PET薄膜表面洁净与干燥；接着，在所述PET薄膜上贴敷一层铜箔，再采用照相制版工艺在所述PET薄膜上沉积梳状电极层(即，首先制造梳状电极掩模，再在铜箔上涂敷一层光刻胶；接着采用紫外曝光将掩模上的图案映射在光刻胶上，然后经过显影将多余的光刻胶去除、只剩目标梳状电极位置上留有光刻胶；再经过刻蚀，将没有光刻胶覆盖保护区域的铜箔清理掉，这样就直接在PET薄膜上形成了梳状电极；最后再清除掉表面的光刻胶，并用去离子水清洗、干燥)；
(2)配制高分子聚合物PVDF溶液，PVDF溶液质量百分浓度为18％，PVDF为Kynar760型，将所述PVDF溶液充满与高压发生器正极相连的金属喷嘴中；并且，在所述金属喷嘴下方放置与高压发生器地级相连的金属阴极收集板，在所述收集板上放置沉积有所述电极层的所述柔性基材；所述金属喷嘴距离所述收集板的距离为2mm；使所述高压发生器产生1.7kV的电压，所述PET薄膜的移动速度为200mm/s，移动方向垂直于电场方向；在所述电极层上沉积多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维形成压电纤维层；所述多条PVDF纳米压电纤维直接沉积在所述梳状电极上，所述多条PVDF纳米压电纤维的轴向垂直于所述梳状电极的梳齿方向，且所述多条PVDF纳米压电纤维的极化方向一致；PVDF纳米压电纤维的沉积轨迹如图2所示；
(3)对所述多条PVDF纳米压电纤维进行切断处理，隔行切断所述梳状电极相邻梳齿之间的所述多条PVDF纳米压电纤维，以避免电荷抵消(如图3所示)；接着，在所述多条PVDF纳米压电纤维上浇注PDMS溶液，进行加热处理，形成干燥的PDMS保护层。
采用曲柄滑块机构，行程为8mm，对器件进行循环拉伸，其弯曲应变循环下的电流信号输出如图4所示。
实施例2
如图1所述，该基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件自下而上依次包括柔性基材1、电极层2、压电纤维层3、封装保护层4，其中柔性基材1为PI薄膜，电极层2为铜，压电纤维层3为PVDF纤维，封装保护层4为聚二甲基硅氧烷PDMS。
该基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件的制备方法包括如下步骤：
(1)将PI薄膜根据所需目标器件尺寸进行剪裁，PI薄膜长为40mm，宽20mm，厚度0.12mm；然后，对所述PI薄膜进行清洗、干燥，确保所述PI薄膜表面洁净与干燥；接着，在所述PI薄膜上蒸镀一层铜箔，再采用照相制版工艺在所述PI薄膜上沉积梳状电极层(即，首先制造梳状电极掩模，再在铜箔上涂敷一层光刻胶；接着采用紫外曝光将掩模上的图案映射在光刻胶上，然后经过显影将多余的光刻胶去除、只剩目标梳状电极位置上留有光刻胶；再经过刻蚀，将没有光刻胶覆盖保护区域的铜箔清理掉，这样就直接在PI薄膜上形成了梳状电极；最后再清除掉表面的光刻胶，并用去离子水清洗、干燥；
(2)配制高分子聚合物PVDF溶液，PVDF溶液质量百分浓度为18％，PVDF为Kynar760型，将所述PVDF溶液充满与高压发生器正极相连的金属喷嘴中；并且，在所述金属喷嘴下方放置与高压发生器地级相连的金属阴极收集板，在所述收集板上放置沉积有所述电极层的所述PI薄膜；所述金属喷嘴距离所述收集板的距离为2mm；使所述高压发生器产生1.7kV的电压，所述PI薄膜的移动速度为200mm/s，移动方向垂直于电场方向；在所述电极层上沉积多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维形成压电纤维层；所述多条PVDF纳米压电纤维直接沉积在所述梳状电极上，所述多条PVDF纳米压电纤维的轴向垂直于所述梳状电极的梳齿方向，且所述多条PVDF纳米压电纤维的极化方向一致；PVDF纳米压电纤维的沉积轨迹如图2所示；
(3)对所述多条PVDF纳米压电纤维进行切断处理，隔行切断所述梳状电极相邻梳齿之间的所述多条PVDF纳米压电纤维，以避免电荷抵消(如图3所示)；接着，在所述多条PVDF纳米压电纤维上浇注PDMS溶液，并进行加热处理，形成干燥的PDMS保护层。
实施例3
如图1所述，该基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件自下而上依次包括柔性基材1、电极层2、压电纤维层3、封装保护层4，其中柔性基材1为PET薄膜，电极层2为铜，压电纤维层3为PVDF纤维，封装保护层4为聚二甲基硅氧烷PDMS。
该基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件的制备方法包括如下步骤：
(1)将PET薄膜根据所需目标器件尺寸进行剪裁，PET薄膜长为40mm，宽20mm，厚度0.12mm；然后，对所述PET薄膜进行清洗、干燥，确保所述PET薄膜表面洁净与干燥；接着，在所述PET薄膜上贴敷一层铜箔，再采用照相制版工艺在所述PET薄膜上沉积梳状电极层(即，首先制造梳状电极掩模，再在铜箔上涂敷一层光刻胶；接着采用紫外曝光将掩模上的图案映射在光刻胶上，然后经过显影将多余的光刻胶去除、只剩目标梳状电极位置上留有光刻胶；再经过刻蚀，将没有光刻胶覆盖保护区域的铜箔清理掉，这样就直接在PET薄膜上形成了梳状电极；最后再清除掉表面的光刻胶，并用去离子水清洗、干燥)；
(2)配制高分子聚合物PVDF溶液，PVDF溶液质量百分浓度为18％，PVDF为Kynar760型，将所述PVDF溶液充满与高压发生器正极相连的金属喷嘴中；并且，在所述金属喷嘴下方放置与高压发生器地级相连的金属阴极收集板，在所述收集板上放置沉积有所述电极层的所述柔性基材；所述金属喷嘴距离所述收集板的距离为2mm；使所述高压发生器产生2.1kV的电压，所述PET薄膜的移动速度为400mm/s，移动方向垂直于电场方向；在所述电极层上沉积多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维形成压电纤维层；所述多条PVDF纳米压电纤维直接沉积在所述梳状电极上，所述多条PVDF纳米压电纤维的轴向垂直于所述梳状电极的梳齿方向，且所述多条PVDF纳米压电纤维的极化方向一致；PVDF纳米压电纤维的沉积轨迹如图2所示；
(3)对所述多条PVDF纳米压电纤维进行切断处理，隔行切断所述梳状电极相邻梳齿之间的所述多条PVDF纳米压电纤维，以避免电荷抵消(如图3所示)；接着，在所述多条PVDF纳米压电纤维上浇注PDMS溶液，进行加热处理，形成干燥的PDMS保护层。
实施例4
如图1所述，该基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件自下而上依次包括柔性基材1、电极层2、压电纤维层3、封装保护层4，其中柔性基材1为PI薄膜，电极层2为铜，压电纤维层3为PVDF纤维，封装保护层4为聚二甲基硅氧烷PDMS。
该基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件的制备方法包括如下步骤：
(1)将PI薄膜根据所需目标器件尺寸进行剪裁，PI薄膜长为40mm，宽20mm，厚度0.12mm；然后，对所述PI薄膜进行清洗、干燥，确保所述PI薄膜表面洁净与干燥；接着，在所述PI薄膜上蒸镀一层铜箔，再采用照相制版工艺在所述PI薄膜上沉积梳状电极层(即，首先制造梳状电极掩模，再在铜箔上涂敷一层光刻胶；接着采用紫外曝光将掩模上的图案映射在光刻胶上，然后经过显影将多余的光刻胶去除、只剩目标梳状电极位置上留有光刻胶；再经过刻蚀，将没有光刻胶覆盖保护区域的铜箔清理掉，这样就直接在PI薄膜上形成了梳状电极；最后再清除掉表面的光刻胶，并用去离子水清洗、干燥；
(2)配制高分子聚合物PVDF溶液，PVDF溶液质量百分浓度为18％，PVDF为Kynar760型，将所述PVDF溶液充满与高压发生器正极相连的金属喷嘴中；并且，在所述金属喷嘴下方放置与高压发生器地级相连的金属阴极收集板，在所述收集板上放置沉积有所述电极层的所述PI薄膜；所述金属喷嘴距离所述收集板的距离为2mm；使所述高压发生器产生1.2kV的电压，所述PI薄膜的移动速度为100mm/s，移动方向垂直于电场方向；在所述电极层上沉积多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维形成压电纤维层；所述多条PVDF纳米压电纤维直接沉积在所述梳状电极上，所述多条PVDF纳米压电纤维的轴向垂直于所述梳状电极的梳齿方向，且所述多条PVDF纳米压电纤维的极化方向一致；PVDF纳米压电纤维的沉积轨迹如图2所示；
(3)对所述多条PVDF纳米压电纤维进行切断处理，隔行切断所述梳状电极相邻梳齿之间的所述多条PVDF纳米压电纤维，以避免电荷抵消(如图3所示)；接着，在所述多条PVDF纳米压电纤维上浇注PDMS溶液，并进行加热处理，形成干燥的PDMS保护层。
实施例5
如图1所述，该基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件自下而上依次包括柔性基材1、电极层2、压电纤维层3、封装保护层4，其中柔性基材1为PET薄膜，电极层2为铜，压电纤维层3为PVDF纤维，封装保护层4为聚二甲基硅氧烷PDMS。
该基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件的制备方法包括如下步骤：
(1)将PET薄膜根据所需目标器件尺寸进行剪裁，PET薄膜长为40mm，宽20mm，厚度0.12mm；然后，对所述PET薄膜进行清洗、干燥，确保所述PET薄膜表面洁净与干燥；接着，在所述PET薄膜上贴敷一层铜箔，再采用照相制版工艺在所述PET薄膜上沉积梳状电极层(即，首先制造梳状电极掩模，再在铜箔上涂敷一层光刻胶；接着采用紫外曝光将掩模上的图案映射在光刻胶上，然后经过显影将多余的光刻胶去除、只剩目标梳状电极位置上留有光刻胶；再经过刻蚀，将没有光刻胶覆盖保护区域的铜箔清理掉，这样就直接在PET薄膜上形成了梳状电极；最后再清除掉表面的光刻胶，并用去离子水清洗、干燥)；
(2)配制高分子聚合物PVDF溶液，PVDF溶液质量百分浓度为18％，PVDF为Kynar760型，将所述PVDF溶液充满与高压发生器正极相连的金属喷嘴中；并且，在所述金属喷嘴下方放置与高压发生器地级相连的金属阴极收集板，在所述收集板上放置沉积有所述电极层的所述柔性基材；所述金属喷嘴距离所述收集板的距离为10mm；使所述高压发生器产生2.1kV的电压，所述PET薄膜的移动速度为200mm/s，移动方向垂直于电场方向；在所述电极层上沉积多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维形成压电纤维层；所述多条PVDF纳米压电纤维直接沉积在所述梳状电极上，所述多条PVDF纳米压电纤维的轴向垂直于所述梳状电极的梳齿方向，且所述多条PVDF纳米压电纤维的极化方向一致；PVDF纳米压电纤维的沉积轨迹如图2所示；
(3)对所述多条PVDF纳米压电纤维进行切断处理，隔行切断所述梳状电极相邻梳齿之间的所述多条PVDF纳米压电纤维，以避免电荷抵消(如图3所示)；接着，在所述多条PVDF纳米压电纤维上浇注PDMS溶液，进行加热处理，形成干燥的PDMS保护层。
实施例6
如图1所述，该基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件自下而上依次包括柔性基材1、电极层2、压电纤维层3、封装保护层4，其中柔性基材1为PI薄膜，电极层2为铜，压电纤维层3为PVDF纤维，封装保护层4为聚二甲基硅氧烷PDMS。
该基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件的制备方法包括如下步骤：
(1)将PI薄膜根据所需目标器件尺寸进行剪裁，PI薄膜长为40mm，宽20mm，厚度0.12mm；然后，对所述PI薄膜进行清洗、干燥，确保所述PI薄膜表面洁净与干燥；接着，在所述PI薄膜上蒸镀一层铜箔，再采用照相制版工艺在所述PI薄膜上沉积梳状电极层(即，首先制造梳状电极掩模，再在铜箔上涂敷一层光刻胶；接着采用紫外曝光将掩模上的图案映射在光刻胶上，然后经过显影将多余的光刻胶去除、只剩目标梳状电极位置上留有光刻胶；再经过刻蚀，将没有光刻胶覆盖保护区域的铜箔清理掉，这样就直接在PI薄膜上形成了梳状电极；最后再清除掉表面的光刻胶，并用去离子水清洗、干燥；
(2)配制高分子聚合物PVDF溶液，PVDF溶液质量百分浓度为18％，PVDF为Kynar760型，将所述PVDF溶液充满与高压发生器正极相连的金属喷嘴中；并且，在所述金属喷嘴下方放置与高压发生器地级相连的金属阴极收集板，在所述收集板上放置沉积有所述电极层的所述PI薄膜；所述金属喷嘴距离所述收集板的距离为10mm；使所述高压发生器产生1.2kV的电压，所述PI薄膜的移动速度为100mm/s，移动方向垂直于电场方向；在所述电极层上沉积多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维形成压电纤维层；所述多条PVDF纳米压电纤维直接沉积在所述梳状电极上，所述多条PVDF纳米压电纤维的轴向垂直于所述梳状电极的梳齿方向，且所述多条PVDF纳米压电纤维的极化方向一致；PVDF纳米压电纤维的沉积轨迹如图2所示；
(3)对所述多条PVDF纳米压电纤维进行切断处理，隔行切断所述梳状电极相邻梳齿之间的所述多条PVDF纳米压电纤维，以避免电荷抵消(如图3所示)；接着，在所述多条PVDF纳米压电纤维上浇注PDMS溶液，并进行加热处理，形成干燥的PDMS保护层。
在上述实施例中，对于纤维的制造中，其工艺参数可以根据试验进行调整，上述例子只为具体说明。实际工作中，其工艺参数(如：电压、金属喷嘴距离收集板的距离、基板移动速度等)在保持稳定喷射的前提下取值在一定范围内，针对18％的PVDF溶液质量百分浓度，所述金属喷嘴距离所述收集板的距离为2mm-10mm；所述高压发生器产生1.2kV-2.1kV的电压，所述柔性基材的移动速度为100mm/s-400mm/s。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (9)
1.一种基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)将柔性基材根据所需目标器件尺寸进行剪裁，并对所述柔性基材进行清洗、干燥，确保所述柔性基材表面洁净与干燥；接着，采用照相制版工艺在所述柔性基材上沉积电极层，所述电极层直接沉积在所述柔性基材表面，所述电极层为梳状电极；
(2)配制高分子聚合物PVDF溶液，将所述PVDF溶液充满与高压发生器正极相连的金属喷嘴中；并且，在所述金属喷嘴下方放置与高压发生器地级相连的金属阴极收集板，在所述收集板上放置沉积有所述电极层的所述柔性基材；所述金属喷嘴距离所述收集板的距离为2mm-10mm；使所述高压发生器产生1.2kV-2.1kV的电压，所述柔性基材的移动速度为100mm/s-400mm/s，在所述电极层上沉积多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维形成压电纤维层；所述多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维直接沉积在所述梳状电极上，所述多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维的轴向垂直于所述梳状电极的梳齿方向，且所述多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维的极化方向一致；
(3)对所述多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维进行切断处理，隔行切断所述梳状电极相邻梳齿之间的所述多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维，以避免电荷抵消；接着，在所述多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维上形成保护层，并干燥所述保护层。
2.如权利要求1所述的基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中所述金属喷嘴距离所述收集板的距离为2mm；所述高压发生器产生1.7kV的电压，所述柔性基材的移动速度为200mm/s。
3.如权利要求1所述的基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件的制备方法，其特征在于，所述柔性基材为聚酯薄膜PET或聚酰亚胺薄膜PI。
4.如权利要求1所述的基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中的多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维是按矩形状轨迹先后沉积的。
5.如权利要求1－4任意一项所述的基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件的制备方法，其特征在于，所述步骤(3)中的保护层为聚二甲基硅氧烷PDMS。
6.如权利要求1所述制备方法制备得到的基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件，其特征在于，自下而上依次包括：柔性基材、电极层、压电纤维层、保护层；所述柔性基材为柔性绝缘塑料薄膜；所述压电纤维层为多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维，并且所述多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维的极化方向一致；所述电极层为梳状电极，所述多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维直接沉积在所述电极层上，所述梳状电极相邻梳齿之间的所述多条彼此之间互相平行的PVDF纳米压电纤维被隔行切断。
7.如权利要求6所述的基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件，其特征在于，所述柔性基材为聚酯薄膜PET或聚酰亚胺薄膜PI。
8.如权利要求6所述的基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件，其特征在于，所述电极层为铜、铝或碳纳米管。
9.如权利要求6所述的基于纳米压电纤维的柔性能量捕获器件，其特征在于，所述保护层为聚二甲基硅氧烷PDMS。
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