CN104734563A - 一种柔性无铅钛酸钡压电发电机及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种柔性无铅钛酸钡压电发电机及其制备方法，涉及压电发电机。压电发电机设有上下基底、第一二电极、上下导线、钛酸钡片状晶、聚二甲基硅氧烷层、胶带，第一电极溅射于下基底上；钛酸钡片状晶沉积于第一电极上；聚二甲基硅氧烷层旋涂于钛酸钡片状晶上；第二电极溅射于上基底表面并将上基底导电一面附于聚二甲基硅氧烷层上。制备：在下基底上溅射第一电极；在环己烷和蒸馏水的界面处制备一层钛酸钡片状晶的单层膜，将单层膜中钛酸钡片状晶沉积在第一电极上；将聚二甲基硅氧烷用正己烷稀释，旋涂在钛酸钡片状晶上；在上基底上溅射第二电极；将上基底导电一面附于聚二甲基硅氧烷层上，烘干固化，极化处理，即得柔性无铅钛酸钡压电发电机。

Description

一种柔性无铅钛酸钡压电发电机及其制备方法

技术领域

本发明涉及压电发电机，尤其是涉及一种柔性无铅钛酸钡压电发电机及其制备方法。

背景技术

伴随着工业的进步和人口的膨胀，人类文明对能源的依赖越发严重，利用化石原料获取能量的传统途径却逐渐走向资源日趋枯竭、副产物毁灭生态的尴尬境地，为了实现人类社会的可持续发展，开发利用新型环保能源显得迫在眉睫。除了之前常见的利用大规模器件收集太阳能、风能、潮汐能等用于日常生产生活之外，目前，利用压电、摩擦电收集小规模能量为微型可穿戴器件供能的发电机正受到越来越多的人的关注和期待。

压电发电机以压电效应为基础，收集如人体运动、水流、自然风等多种形式的机械能，并将之转化为电能提供给微型功能器件，使其能够自驱动。2006年，美国佐治亚理工学院王中林教授研究组首次成功制备出了压电发电机，实现了利用氧化锌纳米线将机械能转化成电能(Wang,Z.L.；Song,J.H.Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc Oxide NanowireArrays.Science 2006,312,242-246.)。随后，以压电效应为基础，基于不同材料和结构的各种压电发电机相继被研制出来。目前，压电发电机的输出功率足以驱动商用发光二极管(LED)、小型液晶显示屏(LCD)、甚至自供电无线数据传送设备。

因此，从绿色环保、可持续角度出发，这种提供电能的压电发电机，无论是在生物、医学、人类健康，还是无线通信、传感、军事等方面都具有不可估量的价值。而且压电发电机弥补了目前广泛使用的功能器件外部电源携带不方便、需定期充电、经常更换等缺点，受到了各国科学家的广泛关注。

发明内容

本发明的目的在于针对现有功能器件的外部电源携带不方便、需定期充电、经常更换等缺点，提供便于携带、可自供电能的一种柔性无铅钛酸钡压电发电机及其制备方法。

所述柔性无铅钛酸钡压电发电机设有下基底、第一电极、下导线、钛酸钡片状晶、聚二甲基硅氧烷层、第二电极、上导线、上基底、胶带，所述第一电极溅射于下基底上；所述钛酸钡片状晶沉积于第一电极上；所述聚二甲基硅氧烷层旋涂于钛酸钡片状晶上；所述第二电极溅射于上基底表面并将上基底导电一面附于聚二甲基硅氧烷层上；所述上导线和下导线用胶带分别连接于第一电极和第二电极上，作为压电发电机信号输出端。

所述上基底和下基底均可采用聚对苯二甲酸乙二酯基底；所述第一电极和第二电极均可采用氧化铟锡电极；所述上导线和下导线均可采用铜线。

所述上基底的厚度可为0.1mm。

所述下基底的厚度可为0.5mm。

所述钛酸钡片状晶为取向生长的平板状结构，长宽均为10微米级、厚度为数百纳米级；所述钛酸钡片状晶的排列方式可为单层、有序或定向排列。

所述聚二甲基硅氧烷层的厚度可为30μm。

所述胶带可采用聚酯酰胺胶带；所述胶带的厚度可为100μm左右。

所述柔性无铅钛酸钡压电发电机的制备方法，包括以下步骤：

1)在下基底上溅射第一电极，用胶带将导线连接于第一电极上并引出，作为压电发电机的一信号输出端；

2)在环己烷和蒸馏水的界面处制备一层钛酸钡片状晶的单层膜，利用界面自组装的方法将单层膜中钛酸钡片状晶沉积在第一电极上；

3)将聚二甲基硅氧烷用正己烷稀释，再通过匀胶机旋涂在钛酸钡片状晶上；

4)在上基底上溅射第二电极，用胶带将导线连接于第二电极上并引出，作为压电发电机另一信号输出端；

5)将上基底导电一面附于聚二甲基硅氧烷层上，再烘干固化，极化处理，即得柔性无铅钛酸钡压电发电机。

在步骤5)中，所述烘干固化的温度可为80℃，烘干固化的时间可为24h；所述极化处理的电压可为500～800V。

本发明制得的柔性无铅钛酸钡压电发电机可弯曲成180°的圆弧。聚对苯二甲酸乙二酯基底耐有机溶剂、油和弱酸，在-10～100℃温度范围内可长期使用；该发电机具有很好的韧性，可多次弯曲而不变形；可根据实际需要制备不同形状、大小的压电发电机。由于可使用适宜的聚二甲基硅氧烷黏度、旋涂的厚度，因此既能确保封装钛酸钡片状晶，使其在外力弯曲压电发电机时受到机械应力而不移动，也不会破坏钛酸钡片状晶在氧化铟锡电极上的平铺状态，并保证厚度尽量薄，以免弱化电信号的输出。

附图说明

图1为根据实施例1提供的方法所得到的柔性无铅钛酸钡压电发电机的示意图。

图2为根据实施例2提供的方法在环己烷和蒸馏水的界面处制备的一层钛酸钡片状晶的单层膜。

图3为柔性无铅钛酸钡压电发电机在一定压力下的电流脉冲输出。

图4为柔性无铅钛酸钡压电发电机在一定压力下的电压脉冲输出。

具体实施方式

以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种结构如图1所示的柔性无铅钛酸钡压电发电机的制备方法，包括：

1)在0.5mm厚的柔性聚对苯二甲酸乙二酯下基底1上溅射一层180nm厚的第一氧化铟锡电极2，用聚酯酰胺胶带3将下导线4粘于第一氧化铟锡电极上，作为压电发电机其一信号输出端；

2)利用界面自组装的方法在第一氧化铟锡电极上沉积一层钛酸钡片状晶的薄膜5；

3)通过匀胶机在定向排列钛酸钡片状晶上旋涂一定厚度的聚二甲基硅氧烷层6；

4)在0.1mm厚的柔性聚对苯二甲酸乙二酯上基底7上溅射第二氧化铟锡电极8，用聚酯酰胺胶带3将上导线9连接于氧化铟锡电极上并引出，作为压电发电机另一信号输出端；

5)将柔性聚对苯二甲酸乙二酯上基底导电一面附于聚二甲基硅氧烷层上；

6)将制备的柔性无铅钛酸钡压电发电机置于80℃烘箱中固化24h；

7)将制备的柔性无铅钛酸钡压电发电机置于500～800V电压下极化处理。

实施例2

本实施例提供一种结构如图2所示的钛酸钡片状晶单层膜的制备方法，包括：

1)取250mL的烧杯10，装入150mL蒸馏水11；

2)再向烧杯中加入50mL环己烷12；

3)向烧杯中加入少量钛酸钡片状晶，用玻璃棒轻轻搅拌至界面处形成一次钛酸钡片状晶的单层膜5。

该柔性无铅钛酸钡压电发电机在一定外力弯曲时的电流脉冲输出参见图3，该柔性无铅钛酸钡压电发电机在一定外力弯曲时的电压脉冲输出参见图4。

Claims (10)

1.一种柔性无铅钛酸钡压电发电机，其特征在于设有下基底、第一电极、下导线、钛酸钡片状晶、聚二甲基硅氧烷层、第二电极、上导线、上基底、胶带，所述第一电极溅射于下基底上；所述钛酸钡片状晶沉积于第一电极上；所述聚二甲基硅氧烷层旋涂于钛酸钡片状晶上；所述第二电极溅射于上基底表面并将上基底导电一面附于聚二甲基硅氧烷层上；所述上导线和下导线用胶带分别连接于第一电极和第二电极上，作为压电发电机信号输出端。

2.如权利要求1所述一种柔性无铅钛酸钡压电发电机，其特征在于所述上基底和下基底均采用聚对苯二甲酸乙二酯基底。

3.如权利要求1所述一种柔性无铅钛酸钡压电发电机，其特征在于所述第一电极和第二电极均采用氧化铟锡电极。

4.如权利要求1所述一种柔性无铅钛酸钡压电发电机，其特征在于所述上基底的厚度为0.1mm。

5.如权利要求1所述一种柔性无铅钛酸钡压电发电机，其特征在于所述下基底的厚度为0.5mm。

6.如权利要求1所述一种柔性无铅钛酸钡压电发电机，其特征在于所述钛酸钡片状晶为取向生长的平板状结构，长宽均为10微米级、厚度为数百纳米级；所述钛酸钡片状晶的排列方式可为单层、有序或定向排列。

7.如权利要求1所述一种柔性无铅钛酸钡压电发电机，其特征在于所述聚二甲基硅氧烷层的厚度为30μm。

8.如权利要求1所述一种柔性无铅钛酸钡压电发电机，其特征在于所述胶带采用聚酯酰胺胶带；所述胶带的厚度为100μm。

9.如权利要求1所述一种柔性无铅钛酸钡压电发电机的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

1)在下基底上溅射第一电极，用胶带将导线连接于第一电极上并引出，作为压电发电机的一信号输出端；

2)在环己烷和蒸馏水的界面处制备一层钛酸钡片状晶的单层膜，利用界面自组装的方法将单层膜中钛酸钡片状晶沉积在第一电极上；

3)将聚二甲基硅氧烷用正己烷稀释，再通过匀胶机旋涂在钛酸钡片状晶上；

4)在上基底上溅射第二电极，用胶带将导线连接于第二电极上并引出，作为压电发电机另一信号输出端；

5)将上基底导电一面附于聚二甲基硅氧烷层上，再烘干固化，极化处理，即得柔性无铅钛酸钡压电发电机。

10.如权利要求9所述一种柔性无铅钛酸钡压电发电机的制备方法，其特征在于在步骤5)中，所述烘干固化的温度为80℃，烘干固化的时间为24h；所述极化处理的电压可为500～800V。