CN107623068B - 基于叉指电极结构柔性可拉伸压电纳米发电机及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于叉指电极结构的薄膜式压电纳米发电机，包括压电薄膜层和叉指电极薄膜层；所述叉指电极薄膜层由单边电极A和单边电极B构成；所述叉指电极薄膜层半嵌入压电薄膜层中。其中，所述压电薄膜层通过将压电材料填充到柔性聚合物材料中制得；所述叉指电极薄膜层中的单边电极A和单边电极B均是通过将导电颗粒填充到柔性聚合物材料中制得。该纳米发电机通过采用d₃₃耦合模式，在保证良好的柔性和可拉伸性的基础上，解决了普通压电式纳米发电机在d₃₁耦合模式下存在的输出电压小的问题。

Description

基于叉指电极结构柔性可拉伸压电纳米发电机及制备方法

技术领域

本发明属于压电纳米发电机领域，具体为一种基于叉指电极结构的柔性可拉伸薄膜式压电纳米发电机及其制备方法。

背景技术

近年来，可穿戴设备、植入式电子设备和电子皮肤等柔性电子器件发展迅速，同时一种清洁，便携可独立持续工作的能源得到了迫切的需求。压电纳米发电机作为一种基于压电效应和静电感应原理的能量转换器件，可以将环境中的微小的机械能转换成为电能，具有体积小，质量轻，受环境影响小的优点，可以用作自驱动系统的构建。人体走路时震动产生的机械能，肢体关节处弯曲时拉伸收缩产生的机械能等的采集工作都需要压电纳米发电机具有一定的柔性和可拉伸性能。

压电纳米发电机主要采用d₃₁和d₃₃ 两种耦合模式。目前大多压电纳米发电机采用d₃₁耦合模式。虽然此模式下可以获得较大的电荷收集面积，但是输出电压却非常小。由于同一种压电材料的d₃₃系数一般是d₃₁系数的2~3倍，所以通过d₃₃耦合模式制备的压电式纳米发电机可以有效的提高输出电压。而现在采用d₃₃模式制备的压电纳米发电机，大多是在聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）等平面柔性聚合物衬底上进行压电薄膜和电极层的生长和制备，通过此方案设计的压电纳米发电机不具有良好的柔性和可拉伸性能，不能满足柔性电子器件对柔性和拉伸性的需求。可以通过在柔性聚合物中填入压电材料和导电颗粒的方法实现柔性可拉伸性能的提升。

目前，通过在柔性聚合物中添加压电材料制备出来的柔性可拉伸压电纳米发电机不能很好地将拉伸性能和压电性能同时兼顾起来。因为目前主要是通过将柔性聚合物和压电材料混合之后通过超声波震荡或者手工机械搅拌的方式将压电分体加入到柔性聚合物中，这样一方面不能在柔性聚合物中大比例地混入压电粉体（一般在40wt%以下）致使混合之后得到的压电薄膜压电性能大幅度下降，另一方面由于柔性聚合物的粘稠度较高，该工艺条件下不能使混入柔性聚合物材料中的压电粉体很好地均匀分布开来，致使混合之后的压电薄膜拉伸过程中容易发生断裂。

发明内容

针对上述问题，本发明提供了一种基于叉指电极结构的薄膜式压电纳米发电机，其电极部分采用半嵌入式叉指电极，工作方式属于d₃₃耦合模式，它在解决d₃₁耦合模式下压电纳米发电机电压输出小问题的同时，又兼具良好的柔性和可拉伸性。

本发明是采用如下技术方案实现的：

一种基于叉指电极结构柔性可拉伸压电纳米发电机，包括压电薄膜层和叉指电极薄膜层。其中，压电薄膜层通过将压电材料填充到柔性聚合物材料中制得，叉指电极薄膜层通过将导电颗粒填充到柔性聚合物材料中制得。

所述叉指电极薄膜层由单边电极A和单边电极B构成；

所述叉指电极薄膜层半嵌入压电薄膜层中。

工作时，两个单边电极分别连有导线与外电路进行连接。环境中外力使所述薄膜式压电纳米发电机进行震荡或者变形，此过程中，由于压电效应和静电感应的作用，两单边电极之间会产生电势差，外电路中会产生电子的转移。此时便可以对电池进行充电或者直接驱动外电路进行工作。因为此薄膜式压电纳米发电机是基于叉指电极结构进行设计制备，其耦合模式属于d₃₃模式，所以所述薄膜式压电纳米发电机具有较高的输出电压。

优选地，构成压电薄膜层和叉指电极薄膜层中的柔性聚合物材料属于完全相同的材料，具体为硫化后具有柔性和和可拉伸性的混炼硅橡胶。因为薄膜介质均为统一的柔性聚合物材料，所以压电薄膜层和叉指电极薄膜层可以很好地形成一体式结构而不发生断层现象，并且所制得的薄膜式压电纳米发电机具有非常好的柔性和可拉伸性能。这就决定了所述薄膜式压电纳米发电机尤其适用于可穿戴设备、植入式电子设备和电子皮肤等柔性电子器件的自供电服务。

优选地，构成压电薄膜层的压电材料具体为铌镁酸铅-钛酸铅（PMN-PT）、锆钛酸铅（PZT）、和钛酸钡（BTO）等压电纳米陶瓷粉体。

优选地，构成叉指电极的导电颗粒具体为铜粉、银粉、银铜粉和玻璃银粉等金属粉体。

优选地，压电薄膜层中各组成部分的含量具体为：压电材料50~80wt%，混炼硅橡胶20~50wt%。

优选地，叉指电极薄膜层中各组成部分的含量具体为：导电颗粒40~80wt%，混炼硅橡胶20~60wt%。

优选地，压电薄膜层厚度为0.3mm~6mm，面积可按需调整。

优选地，叉指电极薄膜层为导电薄膜，半嵌入在压电薄膜层里面。每个叉指电极由两个单边电极构成，每个单边电极包含有多个平行的导电薄膜平行条，并由一根与之垂直的导电薄膜连接条进行连接，且连接条和平行条为一体结构。两个单边电极的导电薄膜平行条进行交错摆放且两两之间不相互接触，以此形成叉指电极。所有导电薄膜平行条的宽度a和长度b均相等，同一单边电极上任意相邻的两条导电薄膜平行条之间的距离c也均相同，大小为导电薄膜平行条宽度a的1.5~5倍。叉指电极薄膜层的厚度为0.15~3mm。

上述基于叉指电极结构的柔性可拉伸的薄膜式压电纳米发电机可通过以下步骤制得：

步骤一：柔性聚合物材料制备

将混炼生胶与硫化剂按照100:1~100:2的比例进行配比，在混炼机上混炼1~3个小时，使混炼生胶与硫化剂混合均匀。

步骤二：叉指电极薄膜层的制备

取质量分数为40~80%的导电颗粒将其均匀地混入到步骤一制得的柔性聚合物材料中，并在混料机上混炼1~3小时，混炼之后用平板硫化机对其进行20min~30min的硫化处理，硫化温度为160℃~180℃，硫化过程中利用模具对其进行形状，大小和厚度的控制。

步骤三：基于叉指电极的压电薄膜的制备

取质量分数为50%~80%的压电材料将其均匀地混入到步骤一制得的柔性聚合物材料中，并在混料机上混炼1~3小时，混炼之后将其成薄膜状均匀的置于模板中，厚度略大于设计的压电薄膜层的厚度，同时将备好的叉指电极薄膜层平铺在混炼均匀的压电层上，利用平板硫化机对其进行20min~30min的硫化处理，硫化温度为160℃~180℃。

步骤四：基于叉指电极的压电薄膜的极化处理

在100℃~120℃的油浴环境下，对步骤三制得的基于叉指电极的压电薄膜进行极化处理，极化强度3KV/mm~20KV/mm，极化时间20min~30min。

步骤五：将步骤四制得的极化处理完成的压电薄膜放入盛有酒精的玻璃培养皿中，进行30min的超声波清洗处理，最后放入鼓风干燥箱中，在60℃~80℃的环境中对其进行干燥30min。

至此，基于叉指电极结构的柔性可拉伸薄膜式压电纳米发电机制备完成。

本发明制备的基于叉指电极的薄膜式发电机具有如下优点：

1、本发明通过混料机混炼聚合物和压电粉体的方法可以大幅度地提升压电粉体的混入量（50~80wt%），同时使压电粉体在聚合物中获得较好的均匀分布。这样便可以在保证具有良好柔性和可拉伸性能的同时，提高纳米发电机的输出电压。

2、本发明在采用D₃₃耦合模式的前提下，保证了压电纳米发电机良好的柔性和可拉伸性能。

3、当环境中的外力作用在所述薄膜式压电纳米发电机上时，压电纳米发电机受迫变形，由于压电效应和静电感应原理，压电纳米发电机将环境中的机械能转换成电能，因为所述压电纳米发电机本身所具有的良好的柔性和可拉伸性能，环境中及其微小的机械能也能够得到充分的利用。

4、压电纳米发电机所需材料成本低，制作工艺相对简单，适合批量生产。该压电式纳米发电机尤其适用于可穿戴设备、植入式电子设备和电子皮肤等柔性电子器件的自供电服务。

附图说明

图1表示所述基于叉指电极的柔性可拉伸薄膜式压电纳米发电机的整体结构示意图。

图2表示所述基于叉指电极的柔性可拉伸薄膜式压电纳米发电机的制作流程示意图。

图3表示所述基于叉指电极的柔性可拉伸薄膜式压电纳米发电机的极化方式示意图。

图4表示Lead Zirconate Titanate（PZT-5H）在1N的横向拉力条件下，d₃₁耦合模式时的电势分布仿真图。

图5表示Lead Zirconate Titanate（PZT-5H）在1N的横向拉力条件下，d₃₃耦合模式时的电势分布仿真图。

图中：1-单边电极A；2-单边电极B；3-压电薄膜层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

一种基于叉指电极结构的柔性可拉伸压电纳米发电机，如图1所示，由叉指电极薄膜层和压电薄膜层所组成。叉指电极薄膜层由单边电极A和单边电极B构成；叉指电极薄膜层半嵌入压电薄膜层中。

工作时，环境中外力使所述薄膜式压电纳米发电机进行震荡或者变形，此过程中，由于压电效应和静电感应的作用，两单边电极之间会产生电势差，外电路中会产生电子的转移。此时便可以对电池进行充电或者直接驱动外电路进行工作。因为此薄膜式压电纳米发电机是基于叉指电极结构进行设计制备，其耦合模式属于d33模式，所以所述薄膜式压电纳米发电机具有较高的输出电压；因为薄膜介质均为统一的柔性聚合物材料，所以压电薄膜层和叉指电极薄膜层可以很好地形成一体式结构而不发生断层现象，并且所制得的薄膜式压电纳米发电机具有非常好的柔性和可拉伸性能。这就决定了所述薄膜式压电纳米发电机尤其适用于可穿戴设备、植入式电子设备和电子皮肤等柔性电子器

d₃₃耦合模式相较于d₃₁耦合模式具有明显优势。该纳米发电机通过采用d₃₃耦合模式，在保证良好的柔性和可拉伸性的基础上，解决了普通压电式纳米发电机在d₃₁耦合模式下存在的输出电压小的问题。图4-5分别提供了同一种压电材料在相同外力条件但不同耦合模式下的电势分布图，从中可以清楚地看出，同一种压电材料在相同的外力条件下，相较于d₃₁耦合模式，在d₃₃耦合模式下其电压输出提高了6-7倍。这会使之更好的服务于可穿戴设备、植入式电子设备和电子皮肤等柔性电子器件。

实施例1

基于叉指电极结构柔性可拉伸压电纳米发电机的具体制作步骤如下：

步骤一：柔性聚合物材料制备：将混炼生胶与硫化剂按照100:2的比例进行配比，在混炼机上混炼1~3小时，使混炼生胶与硫化剂混合均匀。

步骤二：叉指电极薄膜层的制备：取铜粉（40%）将其均匀地混入到步骤一制得的柔性聚合物材料（60％）中，并在混料机上混炼1~3小时，混炼之后用平板硫化机对其进行20min的硫化处理，硫化温度为180℃，硫化过程中利用模具对其进行形状，大小和厚度的控制。

步骤三：基于叉指电极的压电薄膜的制备：取锆钛酸铅（80%）将其均匀地混入到步骤一制得的柔性聚合物材料（20%）中，并在混料机上混炼1~3小时，混炼之后将其成薄膜状均匀的置于模板中，厚度略大于设计的压电薄膜层的厚度，同时将备好的叉指电极薄膜层平铺在混炼均匀的压电层上，利用平板硫化机对其进行25min的硫化处理，硫化温度为160℃。

步骤四：基于叉指电极的压电薄膜的极化处理：在120℃的油浴环境下，对步骤三制得的基于叉指电极的压电薄膜进行极化处理，极化强度3KV/mm~20KV/mm，极化时间20min。

步骤五：将步骤四制得的极化处理完成的压电薄膜放入盛有酒精的玻璃培养皿中，进行30min的超声波清洗处理，最后放入鼓风干燥箱中，在70℃的环境中对其进行干燥30min。

至此，基于叉指电极的柔性可拉伸薄膜式压电纳米发电机制备完成。

实施例2

基于叉指电极结构柔性可拉伸压电纳米发电机的具体制作步骤如下：

步骤一：柔性聚合物材料制备：将混炼生胶与硫化剂按照100:1的比例进行配比，在混炼机上混炼1~3小时，使混炼生胶与硫化剂混合均匀。

步骤二：叉指电极薄膜层的制备：取银粉（80%）将其均匀地混入到步骤一制得的柔性聚合物材料（20%）中，并在混料机上混炼1~3小时，混炼之后用平板硫化机对其进行25min的硫化处理，硫化温度为180℃，硫化过程中利用模具对其进行形状，大小和厚度的控制。

步骤三：基于叉指电极的压电薄膜的制备：取钛酸钡（50%）将其均匀地混入到步骤一制得的柔性聚合物材料（50%）中，并在混料机上混炼1~3小时，混炼之后将其成薄膜状均匀的置于模板中，厚度略大于设计的压电薄膜层的厚度，同时将备好的叉指电极薄膜层平铺在混炼均匀的压电层上，利用平板硫化机对其进行30min的硫化处理，硫化温度为180℃。

步骤四：基于叉指电极的压电薄膜的极化处理：在100℃的油浴环境下，对步骤三制得的基于叉指电极的压电薄膜进行极化处理，极化强度3KV/mm~20KV/mm，极化时间25min。

步骤五：将步骤四制得的极化处理完成的压电薄膜放入盛有酒精的玻璃培养皿中，进行30min的超声波清洗处理，最后放入鼓风干燥箱中，在60℃的环境中对其进行干燥30min。

至此，基于叉指电极的柔性可拉伸薄膜式压电纳米发电机制备完成。

实施例3

基于叉指电极结构柔性可拉伸压电纳米发电机的具体制作步骤如下：

步骤一：柔性聚合物材料制备：将混炼生胶与硫化剂按照100:2的比例进行配比，在混炼机上混炼1~3小时，使混炼生胶与硫化剂混合均匀。

步骤二：叉指电极薄膜层的制备：取银铜粉（60%）将其均匀地混入到步骤一制得的柔性聚合物材料（40%）中，并在混料机上混炼1~3小时，混炼之后用平板硫化机对其进行25min的硫化处理，硫化温度为170℃，硫化过程中利用模具对其进行形状，大小和厚度的控制。

步骤三：基于叉指电极的压电薄膜的制备：取铌镁酸铅-钛酸铅（70%）将其均匀地混入到步骤一制得的柔性聚合物材料（30%）中，并在混料机上混炼1~3小时，混炼之后将其成薄膜状均匀的置于模板中，厚度略大于设计的压电薄膜层的厚度，同时将备好的叉指电极薄膜层平铺在混炼均匀的压电层上，利用平板硫化机对其进行20min的硫化处理，硫化温度为165℃。

步骤四：基于叉指电极的压电薄膜的极化处理：在110℃的油浴环境下，对步骤三制得的基于叉指电极的压电薄膜进行极化处理，极化强度3KV/mm~20KV/mm，极化时间20min。

步骤五：将步骤四制得的极化处理完成的压电薄膜放入盛有酒精的玻璃培养皿中，进行30min的超声波清洗处理，最后放入鼓风干燥箱中，80℃的环境中对其进行干燥30min。

至此，基于叉指电极的柔性可拉伸薄膜式压电纳米发电机制备完成。

以上仅为本发明的具体实施例，但并不局限于此。任何以本发明为基础解决基本相同的技术问题，或实现基本相同的技术效果，所作出地简单变化、等同替换或者修饰等，均属于本发明的保护范围内。

Claims (2)

1.一种基于叉指电极结构柔性可拉伸压电纳米发电机，其特征在于：包括压电薄膜层和叉指电极薄膜层；

所述叉指电极薄膜层由单边电极A和单边电极B构成；单边电极A和单边电极B中，每个单边电极包括多个平行的导电薄膜平行条，并由一根与之垂直的导电薄膜连接条连接，且连接条和平行条为一体结构；单边电极A和单边电极B的导电薄膜平行条进行交错摆放且两两之间不相互接触，以此形成叉指电极；所有导电薄膜平行条的宽度a和长度b均相等，同一单边电极上任意相邻的两条导电薄膜平行条之间的距离c也均相同，大小为导电薄膜平行条宽度a的1.5~5倍；

所述叉指电极薄膜层半嵌入压电薄膜层中；

压电薄膜层厚度为0.3mm~6mm；叉指电极薄膜层的厚度为0.15~3mm；

所述压电薄膜层通过将压电材料填充到柔性聚合物材料中制得；所述叉指电极薄膜层中的单边电极A和单边电极B均是通过将导电颗粒填充到柔性聚合物材料中制得；构成压电薄膜层和叉指电极薄膜层中的柔性聚合物材料相同，即为硫化后具有柔性和和拉伸性的混炼硅橡胶；

制备方法如下：

（1）、柔性聚合物材料制备

将混炼生胶与硫化剂按照100:1~100:2的比例进行配比，在混炼机上混炼1~3个小时，使混炼生胶与硫化剂混合均匀；

（2）、叉指电极薄膜层的制备：

取导电颗粒将其均匀地混入到步骤（1）制得的柔性聚合物材料中，其中，叉指电极薄膜层中各组成部分的含量具体为：导电颗粒40~80wt%，混炼硅橡胶20~60wt%；

在混料机上混炼1~3小时，混炼之后用平板硫化机对其进行20min~30min的硫化处理，硫化温度为160℃~180℃，硫化过程中利用模具对其进行形状，大小和厚度的控制；

（3）、基于叉指电极的压电薄膜的制备

取压电材料将其均匀地混入到步骤（1）制得的柔性聚合物材料中，其中，压电薄膜层中各组成部分的含量为：压电材料50~80wt%，混炼硅橡胶20~50wt%；

在混料机上混炼1~3小时，混炼之后将其成薄膜状均匀的置于模板中，同时将备好的叉指电极薄膜层平铺在混炼均匀的压电薄膜层上，利用平板硫化机对其进行20min~30min的硫化处理，硫化温度为160℃~180℃；

（4）、基于叉指电极的压电薄膜的极化处理

在100℃~120℃的油浴环境下，对步骤（3）制得的基于叉指电极的压电薄膜进行极化处理，极化强度3KV/mm~20KV/mm，极化时间20min~30min；

（5）、将步骤（4）制得的极化处理完成的压电薄膜放入盛有酒精的玻璃培养皿中，进行30min的超声波清洗处理，最后放入鼓风干燥箱中，在60℃~80℃的环境中对其进行干燥30min；

至此，基于叉指电极的柔性可拉伸薄膜式压电纳米发电机制备完成。

2.根据权利要求1所述的基于叉指电极结构柔性可拉伸压电纳米发电机，其特征在于：构成压电薄膜层的压电材料为铌镁酸铅-钛酸铅、锆钛酸铅或者钛酸钡；构成叉指电极薄膜层的导电颗粒为铜粉、银粉、银铜粉或者玻璃银粉。

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