CN107611252B - 一种ZnO/BaTiO3复合材料制备方法、ZnO/BaTiO3复合材料及应用 - Google Patents
一种ZnO/BaTiO3复合材料制备方法、ZnO/BaTiO3复合材料及应用 Download PDFInfo
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Abstract
本发明公开一种ZnO/BaTiO3复合材料制备方法、ZnO/BaTiO3复合材料及应用，通过溶胶包覆法，将两种压电材料复合得到ZnO/BaTiO3微球，将其组装成柔性压电发电机，该材料结晶良好且具有较好的分散性，将其组装成柔性压电发电机，能够得到较高的电输出；为压电发电机领域在研究选材方面提供了新思路。ZnO/BaTiO3复合粉体为两种压电材料复合而成，ZnO和BaTiO3均为宽带隙半导体，其形成的异质结构可以对二者的压电性能起到积极的作用。
Description
技术领域
本发明涉及复合压电材料制备及应用技术领域，尤其涉及一种ZnO/BaTiO3复合材料制备方法、ZnO/BaTiO3复合材料及应用。
背景技术
近年来，能源利用问题在人类社会发展中变得日益突出，因此如何通过有效手段将生活中的能量收集起来，并转化为可持续的电能来驱动小范围的电子器件引起了越来越多研究者的关注。而压电发电机是以压电效应为基础，收集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，使其能够自驱动发电，具有构造简单，并且易于小型化，性能稳定的优点，受到了研究者的广泛关注。
钛酸钡(BaTiO3)材料本身具有优良的介电性能、压电性能和铁电性能，因此多被用于传感器、热敏电阻、光电器件等。目前，随着现代工业的迅速发展，不论是在电子产业领域或新能源材料领域，市场对钛酸钡的需求量及性能要求都日益增长。氧化锌(ZnO)材料是一种新型的宽带隙半导体，其具有的半导体和压电耦合特性，使其成为制备压电器件的重要材料，目前已有很多研究人员用氧化锌制备出了多种结构的压电发电机和压电传感器。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术不足，提供一种ZnO/BaTiO3复合压电材料制备方法以及该复合压电材料的应用。
本发明的第一种技术方案是：一种ZnO/BaTiO3复合材料制备方法，包括如下步骤：
(1)、将0.32g TiO2粉末A加入到40mL去离子水中混合均匀得到溶液B，再将2.52gBa(OH)2·8H2O加入40mL的去离子水中混合均匀得到溶液C，将溶液B倒入溶液C中，磁力搅拌均匀，再将所得混合液(Ba/Ti摩尔比＝2:1)加入100mL的水热釜在90℃下加热6h，后经离心、洗涤、烘干后再进行2h，800℃的热处理后得到微米级球状BaTiO3晶体粉末；
(2)、将0.6mol/L的醋酸锌加入100mL的乙二醇甲醚中，磁力搅拌0.5h后，向溶液中滴入 2.86ml单乙醇胺，磁力搅拌2h，静置得到ZnO溶胶；
(3)、取0.1g的BaTiO3和10ml ZnO溶胶通过超声混合包覆2-5次，烘干后进行2h、450°热处理，后将热处理得到的产物置于由六水合硝酸锌和六次甲基四胺混合制备的生长液中恒温水浴70-90℃加热4h，将产物离心、洗涤后最终得到ZnO/BaTiO3复合粉体。
本发明的第二个技术方案是采用上述方法制备的ZnO/BaTiO3复合材料，具有分级结构，由微球和表面分布的棒状颗粒组成，微球粒径范围在700±10nm。
本发明的第三个技术方案是采用上述方法制备的ZnO/BaTiO3复合材料的应用，通过自组装的形式分散在柔性PET-ITO基底上，之后用聚二甲基硅氧烷旋涂在其表面来对上基底进行粘合；
具体如下：
(1)、取制备的ZnO/BaTiO3粉体加入50mL去离子水中超声30min以混合均匀得到混合液A；
(2)、在混合液A中加入10mL正己烷，待其完全铺展开后，滴入20mL乙醇并缓慢搅动，在水和正己烷表面会形成一层自组装的ZnO/BaTiO3膜；
(3)、用提拉的方式将ZnO/BaTiO3膜转移到已旋涂有聚二甲基硅氧烷的柔性PET-ITO基底上，再将聚二甲基硅氧烷通过匀胶机旋涂于ZnO/BaTiO3膜上，之后粘合PET-ITO基底制成柔性压电发电机。
所述步骤(1)中ZnO/BaTiO3粉体复合粉体与所述步骤(3)中聚二甲基硅氧烷的质量比为3:25。
有益效果
1、本发明通过溶胶包覆法，将两种压电材料复合得到ZnO/BaTiO3微球，该材料结晶良好且具有较好的分散性，将其组装成柔性压电发电机，能够得到较高的电输出；为压电发电机领域在研究选材方面提供了新思路。
2、ZnO/BaTiO3复合粉体为两种压电材料复合而成，ZnO和BaTiO3均为宽带隙半导体，其形成的异质结构可以对二者的压电性能起到积极的作用。
附图说明
图1是实施例1中ZnO/BaTiO3复合粉体的扫描电子显微镜图；
图2是实施例1中ZnO/BaTiO3复合粉体的高倍扫描电子显微镜图；
图3是实施例1中ZnO/BaTiO3复合粉体的XRD图；
图4为实施例1制得的柔性压电发电机在一定压力下的电流脉冲输出；
图5为实施例1制得的柔性压电发电机在一定压力下的电压脉冲输出。
图6为实施例2中ZnO/BaTiO3复合粉体的扫描电子显微镜图；
图7为实施例3中ZnO/BaTiO3复合粉体的扫描电子显微镜图；
图8为对比实施例1中ZnO/BaTiO3复合粉体的扫描电子显微镜图。
具体实施方式
下面通过具体实施例和附图对本发明作进一步的说明。本发明的实施例是为了使本领域的技术人员更好地理解本发明，并不对本发明作任何的限制。
实施例1
一种ZnO/BaTiO3复合材料制备方法及应用，具体如下：
(1)、将0.32g自制的TiO2粉末加入到40mL去离子水中混合均匀得到溶液A，再将2.52g Ba(OH)2·8H2O加入40mL的去离子水中混合均匀得到溶液B，将溶液A倒入溶液B中，磁力搅拌均匀，再将所得混合液(Ba/Ti摩尔比＝2:1)加入100mL的水热釜在90℃下加热6h，后经离心、洗涤、烘干后再进行2h，800℃的热处理后得到微米级球状BaTiO3晶体粉末；
(2)、将0.6mol/L的醋酸锌加入100ml的乙二醇甲醚中，磁力搅拌0.5h后向溶液中滴入2.86ml 单乙醇胺，磁力搅拌2h后静置，得到ZnO溶胶；
(3)、取0.1g的BaTiO3和10ml ZnO溶胶通过超声混合包覆2次，烘干后进行2h、450°热处理得到产物C，后将产物C置于由六水合硝酸锌和六次甲基四胺混合制备的生长液D中90°水浴加热4h，将产物离心、洗涤后最终得到ZnO/BaTiO3复合粉体；
(4)、取0.15g制备的ZnO/BaTiO3粉体加入50mL去离子水中超声30min以混合均匀得到混合液A；
(5)、在混合液A中加入10mL正己烷，待其完全铺展开后，滴入20mL乙醇并缓慢搅动，在水和正己烷表面会形成一层自组装的ZnO/BaTiO3膜；
(6)、用提拉的方式将ZnO/BaTiO3膜转移到已旋涂有聚二甲基硅氧烷的柔性PET-ITO基底上，再将1.25g聚二甲基硅氧烷通过匀胶机旋涂于ZnO/BaTiO3膜上，之后粘合上基底制成柔性压电发电机，将制备好的发电机在85℃、电场强度为2.77kV/mm下极化30min。之后用于按压模式下的电压、电流输出测试。
图1为实施例1得到的ZnO/BaTiO3复合粉体的扫描电子显微镜图，复合粉体中微球表现出现明显的颗粒凸起，球体粒径在700±10nm；
图2为实施例1得到ZnO/BaTiO3复合粉体的高倍扫描电子显微镜图；
图3是实施例1中ZnO/BaTiO3复合粉体的XRD图，可以看出制备的粉体为BaTiO3和ZnO 的复合产物，其峰窄、峰形尖锐且强度高，表明晶体结构完整，且没有杂峰。
图4为实施例1制得的柔性发电机在一定压力下的电流脉冲输出；
图5为实施例1制得的柔性发电机在一定压力下的电压脉冲输出。
实施例2
(1)、将0.32g自制的TiO2前驱体粉末加入到40mL去离子水中混合均匀得到溶液A，再将2.52g Ba(OH)2·8H2O加入40mL的去离子水中混合均匀得到溶液B，将溶液A倒入溶液B中，磁力搅拌均匀，再将所得混合液(Ba/Ti摩尔比＝2:1)加入100mL的水热釜在90℃下加热6h，后经离心、洗涤、烘干后再进行2h，800℃的热处理后得到微米级球状BaTiO3BaTiO3晶体粉末；
(2)、将0.6mol/L的醋酸锌加入100ml的乙二醇甲醚中，磁力搅拌0.5h后向溶液中滴入2.86ml 单乙醇胺，磁力搅拌2h后静置，得到ZnO溶胶；
(3)、取0.1g的BaTiO3和10ml ZnO溶胶通过超声混合包覆5次，烘干后进行2h、450°热处理得到产物C，后将产物C置于由六水合硝酸锌和六次甲基四胺混合制备的生长液D中90°水浴加热4h，将产物离心、洗涤后最终得到ZnO/BaTiO3复合粉体；
(4)、同实施例1步骤(4)；
(5)、乙醇滴入量为10ml，其他同实施例1步骤(5)；
(6)、同实施例1步骤(6)。
图6为实施例2中制得的ZnO/BaTiO3复合粉体的扫描电子显微镜图，该样品大多呈现球状颗粒，并有少量棒状氧化锌颗粒分散其中，其中微球表现出现明显的颗粒凸起，球体粒径约在700±10nm。
实施例3
(1)、将0.32g自制的TiO2前驱体粉末加入到40mL去离子水中混合均匀得到溶液A，再将2.52g Ba(OH)2·8H2O加入40mL的去离子水中混合均匀得到溶液B，将溶液A倒入溶液B中，磁力搅拌均匀，再将所得混合液(Ba/Ti摩尔比＝2:1)加入100mL的水热釜在90℃下加热6h，后经离心、洗涤、烘干后再进行2h，800℃的热处理后得到微纳米分级结构BaTiO3晶体粉末；
(2)、将0.6mol/L的醋酸锌加入100ml的乙二醇甲醚中，磁力搅拌0.5h后向溶液中滴入2.86ml 单乙醇胺，磁力搅拌2h后静置，得到ZnO溶胶；
(3)、取0.1g的BaTiO3和10ml ZnO溶胶通过超声混合包覆2次，烘干后进行2h、450°热处理得到产物C，后将产物C置于由六水合硝酸锌和六次甲基四胺混合制备的生长液D中70°水浴加热4h，将产物离心、洗涤后最终得到ZnO/BaTiO3复合粉体；
(4)、同实施例1步骤(4)；
(5)、乙醇滴入量为5ml，其他同实施例1步骤(5)；
(6)、同实施例1步骤(6)。
图7为实施例3中制得的ZnO/BaTiO3复合粉体的扫描电子显微镜图.
对比实施例1
实施例1中的步骤(3)中将水浴温度调整为50℃，其余条件同实施例1。得到的ZnO/BaTiO3复合粉体的扫描电子显微镜图如图8所示。从图片中可以看微球表面趋于光滑，无明显纳米颗粒凸起分散在其表面，且球体大小分布不均匀，原因是水浴温度较低影响了微球表面的ZnO 种子层的生长，应当理解的是，这里所讨论的实施方案及实例只是为了说明，对本领域技术人员来说，可以加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。
Claims (4)
1.一种 ZnO/BaTiO3 复合材料制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
(1)、将 0.32g TiO2 粉末 A 加入到 40mL 去离子水中混合均匀得到溶液 B，再将2.52g Ba(OH)2·8H2O 加入 40mL 的去离子水中混合均匀得到溶液 C，将溶液 B 倒入溶液 C 中，磁力搅拌均匀，再将所得 Ba/Ti 摩尔比=2:1 的混合液加入 100mL 的水热釜在90℃下加热 6h，后经离心、洗涤、烘干后再进行 2h，800℃的热处理后得到微米级球状BaTiO3 晶体粉末；
(2)、将 0.6mol/L 的醋酸锌加入 100mL 的乙二醇甲醚中，磁力搅拌 0.5h 后，向溶液中滴入 2.86ml 单乙醇胺，磁力搅拌 2h，静置得到 ZnO 溶胶；
(3)、取 0.1g 的 BaTiO3 和 10ml ZnO 溶胶通过超声混合包覆 2-5 次，烘干后进行2h、450°热处理，后将热处理得到的产物置于由六水合硝酸锌和六次甲基四胺混合制备的生长液中恒温水浴 70-90℃加热 4h，将产物离心、洗涤后最终得到 ZnO/BaTiO3 复合粉体。
2.一种采用权利要求 1 所述的方法制备的 ZnO/BaTiO3 复合材料，其特征在于，具有分级结构,由微球和表面分布的棒状颗粒组成，微球粒径范围在 700±10nm。
3.一种制备柔性压电发电机的方法，采用权利要求 1 所述的方法制备的 ZnO/BaTiO3复合材料,其特征在于，通过自组装的形式分散在柔性 PET-ITO 基底上，之后用聚二甲基硅氧烷旋涂在其表面来对上基底进行粘合；
具体如下：
(1)、取制备的 ZnO/BaTiO3 复合材料加入 50 mL 去离子水中超声 30min 以混合均匀得到混合液 A；
(2)、在混合液 A 中加入 10 mL 正己烷，待其完全铺展开后，滴入 20 mL 乙醇并缓慢搅动，在水和正己烷表面会形成一层自组装的 ZnO/BaTiO3 膜；
(3)、用提拉的方式将 ZnO/BaTiO3 膜转移到已旋涂有聚二甲基硅氧烷的柔性 PET-ITO 基底上，再将聚二甲基硅氧烷通过匀胶机旋涂于 ZnO/BaTiO3 膜上，之后粘合PET-ITO基底制成柔性压电发电机。
4.根据权利要求 3 所述的方法，其特征在于，所述步骤（1）中 ZnO/BaTiO3复合材料与所述步骤（3）中聚二甲基硅氧烷的质量比为 3:25。
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