CN110148666A - 铁电驻极体的制备方法、铁电驻极体、发电机和传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了铁电驻极体的制备方法、铁电驻极体、发电机和传感器，属于铁电驻极体的制备技术领域。所述铁电驻极体的制备方法包括：将柔性基质的预聚物与固化剂充分混合，然后加入压电材料并充分搅拌，形成混合材料；将牺牲材料加入所述混合材料中并搅拌混合均匀，得到复合材料；对所述复合材料进行固化，得到固化材料；将所述固化材料置于去离子水中充分浸泡，去除所述固化材料中的牺牲材料；以及对去除牺牲材料后的固化材料进行高压热极化，得到所述铁电驻极体。本发明采用柔性基质来制备铁电驻极体，基于多孔结构形成大偶极的原理，制备形成铁电驻极体，加工工艺简单、稳定性高、柔性好，可以进行可弯折扭曲等柔性应用。
Description
技术领域
本发明涉及铁电驻极体的制备技术，具体地涉及铁电驻极体的制备方法、铁电驻极体、发电机和传感器。
背景技术
柔性能源转换器和发电机，由于其广泛的可应用前景，在近些年受到了高度重视。其中，铁电驻极体由于其能够将机械能直接转换为电能，受到了越来越多的关注和研究。常见制备成铁电驻极体发电机的核心材料为聚丙烯(PP)铁电驻极体，多孔的PP经过极化过程，孔内上下表面分别带上正负电荷，宏观作用类似于形成了大的偶极，进而可以制成直接将机械能转换成电能的发电机。然而，PP铁电驻极体虽然具有柔性、质轻等优点，但是其制作条件复杂、缺少弹性。
发明内容
本发明实施例的目的是提供一种铁电驻极体的制备方法、铁电驻极体、发电机和传感器，用于解决传统铁电驻极体缺少弹性、稳定性差、加工工艺复杂的问题。
为了实现上述目的，本发明提供了一种铁电驻极体的制备方法，该方法包括：将柔性基质的预聚物与固化剂充分混合，然后加入压电材料并充分搅拌，形成混合材料；将牺牲材料加入所述混合材料中并搅拌混合均匀，得到复合材料；对所述复合材料进行固化，得到固化材料；将所述固化材料置于去离子水中充分浸泡，去除所述固化材料中的牺牲材料；以及对去除牺牲材料后的固化材料进行高压热极化，得到所述铁电驻极体。
优选地，所述牺牲材料为氯化钠颗粒。
优选地，加入所述混合材料中的所述牺牲材料与所述复合材料的质量比为0％至30％。
优选地，加入所述混合材料中的所述牺牲材料与所述复合材料的质量比为23.6％。
优选地，所述氯化钠颗粒的粒径范围为100μm至200μm。
优选地，所述压电材料为锆钛酸铅或不含铅的压电材料。
优选地，所述压电材料的粒径为0.5μm至1μm。
优选地，在所述加入压电材料粉末并充分搅拌，形成混合材料的过程中，所述压电材料与所述混合材料的体积比为0％至30％。
优选地，所述柔性基质为以下中的一者：聚二甲基硅氧烷、硅胶、共聚酯。
相应地，本发明还提供了一种铁电驻极体，所述铁电驻极体通过以上所描述的铁电驻极体的制备方法制成。
相应地，本发明还提供了一种发电机，采用以上所描述的铁电驻极体。
相应地，本发明还提供了一种传感器，采用以上所描述的铁电驻极体。
通过上述技术方案，本发明采用柔性基质来制备铁电驻极体，基于多孔结构形成大偶极的原理，制备形成铁电驻极体，加工工艺简单、稳定性高、柔性好，可以进行可弯折扭曲等柔性应用。
本发明实施例的其它特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。
附图说明
附图是用来提供对本发明实施例的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明实施例，但并不构成对本发明实施例的限制。在附图中：
图1是本发明提供的铁电驻极体的制备方法的流程图；
图2是本发明提供的不同孔隙率的孔结构图；
图3是本发明提供的基本发电原理图示；
图4是本发明提供的孔形成宏观大偶极的原理曲线图；
图5是本发明提供的不同锆钛酸铅(PZT)含量与输出电压的关系曲线图；以及
图6是本发明提供的不同孔隙率与输出电压的关系曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明实施例的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明实施例，并不用于限制本发明实施例。
图1是本发明提供的铁电驻极体的制备方法的流程图，如图1所示，该方法包括：
步骤101，将柔性基质的预聚物与固化剂充分混合，然后加入压电材料并充分搅拌，形成混合材料。
柔性基质为以下中的一者：聚二甲基硅氧烷、硅胶、共聚酯(Ecoflex)。优选情况下，可以选择聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为柔性基质，这是因为聚二甲基硅氧烷的固化过程简单，便于制备符合材料，固化后不仅具有较好的柔性，而且具有疏水性和化学惰性等性能。
加入压电材料并充分搅拌具体为：加入压电材料粉末并充分机械搅拌。压电材料为锆钛酸铅(PZT)或不含铅的压电材料。其中，压电材料的粒径可以为0.5μm至1μm，例如在压电材料为锆钛酸铅的情况下，锆钛酸铅的粒径可以为0.5μm至1μm。此外，压电材料也可以是不含铅的压电材料，例如钛酸钡、氧化锌、聚偏氟乙稀(PVDF)等。采用不含铅的压电材料，可以拓展在电子皮肤等领域的应用，例如可以应用于人体能量收集或可穿戴设备等方面。
铁电驻极体中锆钛酸铅能够对聚二甲基硅氧烷(PDMS)起到增强作用，使铁电驻极体的强度有所增加，但是随着锆钛酸铅含量的增加，铁电驻极体的杨氏模量上升，锆钛酸铅的体积含量为30％时，铁电驻极体的杨氏模量相比不添加锆钛酸铅的多孔材料，提升一倍多，材料强度得到提升，但是材料柔性会随着锆钛酸铅含量的提升受到损失。锆钛酸铅作为一种常用的压电材料，具有良好的压电性能，锆钛酸铅含量的提升，使铁电驻极体的电学性能得到提升，在相同孔隙率的条件下，添加不同含量的锆钛酸铅，体积含量范围从0％到30％，当铁电驻极体中的锆钛酸铅的体积含量为30％时，具有最高的电学输出。
一般情况下，在加入压电材料粉末并充分搅拌，形成混合材料的过程中，压电材料与混合材料的体积比为0％至30％，优选情况下，压电材料与混合材料的体积比为30％。
将锆钛酸铅作为一种常见的压电材料，掺加进聚二甲基硅氧烷，可以制得具有铁电性的多孔复合结构的铁电驻极体，能够增加铁电驻极体的机械强度，提高铁电驻极体的稳定性和电学性能。
步骤102，将牺牲材料加入混合材料中并搅拌混合均匀，得到复合材料。
其中牺牲材料可以为氯化钠颗粒，本发明不限于此，牺牲材料还可以为糖类化合物，当然，一般情况下，牺牲材料为一种晶体物质，并且遇水可以溶解。其中，在牺牲材料为氯化钠颗粒的情况下，氯化钠颗粒的粒径范围为100μm至200μm，采用粒径范围为100μm至200μm的氯化钠颗粒，能够保证制备得到的铁电驻极体的均匀性，并可以制备宏观的大偶极，此外牺牲材料易于溶于水，易于制备多孔结构。当然，本发明不限于此，也可以采用粒径范围不在100μm至200μm范围的氯化钠颗粒。本发明采用粒径范围为100μm至200μm的氯化钠颗粒作为制备微孔的中介材料，材料的孔隙率可控，由于多孔结构，材料具备质轻和弹性。
本领域技术人员应当理解，孔隙率影响着铁电驻极体作为发电机的力学性能和电学性能。随着孔隙率的增加，铁电驻极体的杨氏模量下降，柔性提高。然而，制备不同孔隙率的铁电驻极体，孔隙率范围可以从0％到66％，图2是本发明提供的不同孔隙率的孔结构图，如图2所示，图2示出了孔隙率为0％、49％、58％、60％、66％的孔结构图。然而，孔隙率60％的铁电驻极体与无孔的铁电驻极体相比，只有在无孔的铁电驻极体的孔隙率达到60％以前，随着孔隙率的增大，电学输出增加，当孔隙率大于60％后，电学输出就会出现下降。一般情况下，加入混合材料中的牺牲材料与复合材料的质量比为0％至30％。发电机采用铁电驻极体的情况下，锆钛酸铅含量相同的情况下，孔隙率为60％的铁电驻极体，具有最高的电学输出。一般情况下，为使得孔隙率为60％，加入混合材料中的牺牲材料与复合材料的质量比为23.6％。
优选情况下，将牺牲材料加入混合材料中并搅拌混合均匀具体为将粒径范围为100μm至200μm的氯化钠颗粒按照质量比为23.6％的比例添加到混合材料中，机械搅拌混合均匀。
步骤103，对复合材料进行固化，得到固化材料，具体为，将复合材料添加到模具中成型，可以在70℃的烘箱中固化，固化时间约120分钟。
步骤104，将固化材料置于去离子水中充分浸泡，去除固化材料中的牺牲材料，其中，整个浸泡过程可以在80℃的温度下持续三天，期间每8个小时换一次水，直至牺牲材料溶解充分，当然，本发明不限于此，也就是说浸泡过程中的浸泡温度和浸泡时间可以根据情况自行设定，只要能够使牺牲材料溶解充分的方法都在本发明保护范围之内。
步骤105，对去除牺牲材料后的固化材料进行高压热极化，得到所述铁电驻极体。具体来说，高压热极化的过程可以是在100℃的温度下对固化材料进行极化大约90分钟，当然本发明不限于此，也就是说极化过程中的极化温度和极化时间可以根据情况自行设定，只要能够达到极化的目的的方法都在本发明保护范围之内。
图3是本发明提供的基本发电原理图示，制备的多孔结构的复合材料(指的是去除牺牲材料后的固化材料)，经过极化过后，具有比较稳定的电学输出，如图3所示，其基本发电原理如下：极化过程可以看作是将孔上下表面带电的过程，在极化过程中，孔的上下表面带上电性相反的电荷，在宏观上形成了一个大的有固定取向的偶极，同时，极化过程对于锆钛酸铅(PZT)来说是一个取向过程，将PZT的偶极矩延电场方向分布，在此之后，在施加压力的过程中，孔会发生较大的形变，上下表面的正负电荷间的距离会发生变化，同时PZT的偶极矩也会有变化，在静电感应的作用下，上下表面电极所感应出的电荷量发生改变，进而导线中出现电子的移动，产生电信号，另一方面，在撤除压力的过程中，孔的形变恢复，PZT的偶极矩也随之恢复，产生与下压过程中的电子流动方向相反的电子流动方向。可以看出，孔的形变和PZT的压电效应二者共同作用，产生较大的电学输出。
在测试多孔结构的材料的电学输出时，施加的压力不同，产生的电学输出就不同，输出的电压随着压力的增加而增加，随着施力的增加，电压开始急剧增加，在施力增加到一定程度后，将孔逐渐压实，增加压力带来的电学输出的增加幅度较小。施加的压力约为30N时，输出的开路电压约为29V。
相应地，本发明提供了一种铁电驻极体，该铁电驻极体通过以上所描述的铁电驻极体的制备方法制成。
相应地，本发明还提供了一种发电机，该发电机采用以上所描述的铁电驻极体。该发电机例如可以为铁电驻极体发电机或者压电驻极体发电机。利用铁电驻极体内部的微孔形成宏观大偶极和锆钛酸铅(PZT)的压电性能协同作用，可以实现机械能和电能的转换，从而实现铁电驻极体发电。采用本发明提供的具有柔性的铁电驻极体作为发电机时，不同形式的外力，产生的电信号大小也存在差异。对铁电驻极体在压缩、弯折和扭曲等不同形式下的电学输出分别进行测试，在压缩模式下产生的电学输出最大。采用本发明提供的方法制备的具有柔性的铁电驻极体，可以直接制备成柔性发电机，收集运动过程中的能量并直接转化为电能。
相应地，本发明还提供了一种传感器，该传感器采用以上所描述的铁电驻极体。这里的传感器可以为自驱动传感器，例如可以用于感应自行车轮胎的转速感应及行驶距离感应等。
图4是本发明提供的孔形成宏观大偶极的原理曲线图，如图4所示，分布对通过本发明提供的方法制备的铁电驻极体施加压力，在初期，较小的力会产生较大的形变，对应较大的输出，随着孔逐渐被压实，形变也逐渐变小，输出对应降低，论证了孔形成了宏观的大偶极。
图5是本发明提供的不同锆钛酸铅(PZT)含量与输出电压的关系曲线图，如图5所示，通过本发明提供的方法制备的铁电驻极体中的锆钛酸铅(PZT)含量不同，对应的输出电压也不同，在锆钛酸铅(PZT)的体积含量为30％时，输出电压最大。
图6是本发明提供的不同孔隙率与输出电压的关系曲线图，如图6所示，通过本发明提供的方法制备的铁电驻极体的孔隙率不同，对应的输出电压也不同，在孔隙率为60％时，输出电压最大(为最优)。
以上结合附图详细描述了本发明实施例的可选实施方式，但是，本发明实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明实施例的技术构思范围内，可以对本发明实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明实施例的保护范围。
本发明相比于无孔结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)/锆钛酸铅(PZT)复合材料，在减少了材料用量的基础上，提高了电学性能输出和材料的柔性，并且相比于聚丙烯(PP)铁电驻极体，加工更简单，且具有更好的弹性。
本发明提出了利用多孔结构制备具有弹性的柔性铁电驻极体，除了可以进行弯折，还可以进行扭曲等形式的能量采集，具有很高的电学输出和稳定性。制备简单，可以根据不同需求，制备不同厚度的器件，平面尺寸可以按照需求进行任意剪裁。本发明涉及的制备方法简单且成本低，拥有广泛的应用前景。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本发明实施例对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外，本发明实施例的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明实施例的思想，其同样应当视为本发明实施例所公开的内容。
Claims (12)
1.一种铁电驻极体的制备方法，其特征在于，该方法包括：
将柔性基质的预聚物与固化剂充分混合，然后加入压电材料并充分搅拌，形成混合材料；
将牺牲材料加入所述混合材料中并搅拌混合均匀，得到复合材料；
对所述复合材料进行固化，得到固化材料；
将所述固化材料置于去离子水中充分浸泡，去除所述固化材料中的牺牲材料；以及
对去除牺牲材料后的固化材料进行高压热极化，得到所述铁电驻极体。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述牺牲材料为氯化钠颗粒。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，加入所述混合材料中的所述牺牲材料与所述复合材料的质量比为0％至30％。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，加入所述混合材料中的所述牺牲材料与所述复合材料的质量比为23.6％。
5.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述氯化钠颗粒的粒径范围为100μm至200μm。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述压电材料为锆钛酸铅或不含铅的压电材料。
7.根据权利要求6所述的方法，其特征在于，所述压电材料的粒径为0.5μm至1μm。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，在所述加入压电材料粉末并充分搅拌，形成混合材料的过程中，所述压电材料与所述混合材料的体积比为0％至30％。
9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述柔性基质为以下中的一者：聚二甲基硅氧烷、硅胶、共聚酯。
10.一种铁电驻极体，其特征在于，所述铁电驻极体通过所述权利要求1至9中任意一项权利要求所述的铁电驻极体的制备方法制成。
11.一种发电机，其特征在于，采用权利要求10所述的铁电驻极体。
12.一种传感器，其特征在于，采用权利要求10所述的铁电驻极体。
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Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201810167659.4A Pending CN110148666A (zh) | 2018-02-28 | 2018-02-28 | 铁电驻极体的制备方法、铁电驻极体、发电机和传感器 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN110148666A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113029398A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-06-25 | 清华大学深圳国际研究生院 | 一种用于检测心音信号的高灵敏度柔性压力传感器 |
Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06287448A (ja) * | 1993-04-05 | 1994-10-11 | Mitsubishi Petrochem Co Ltd | 高分子複合圧電体及びその製造方法 |
| US20120133247A1 (en) * | 2010-11-30 | 2012-05-31 | Keon Jae Lee | Flexible nanocomposite generator and method for manufacturing the same |
| US20170207381A1 (en) * | 2016-01-19 | 2017-07-20 | University-Industry Foundation, Yonsei University | Piezoelectric element with sponge structure and method of manufacturing the same |
-
2018
- 2018-02-28 CN CN201810167659.4A patent/CN110148666A/zh active Pending
Patent Citations (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH06287448A (ja) * | 1993-04-05 | 1994-10-11 | Mitsubishi Petrochem Co Ltd | 高分子複合圧電体及びその製造方法 |
| US20120133247A1 (en) * | 2010-11-30 | 2012-05-31 | Keon Jae Lee | Flexible nanocomposite generator and method for manufacturing the same |
| US20170207381A1 (en) * | 2016-01-19 | 2017-07-20 | University-Industry Foundation, Yonsei University | Piezoelectric element with sponge structure and method of manufacturing the same |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| WILLIAM R. MCCALL等: "《Piezoelectric Nanoparticle−Polymer Composite Foams》", 《ACS APPLIED MATERIALS & INTERFACES》 * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113029398A (zh) * | 2021-03-08 | 2021-06-25 | 清华大学深圳国际研究生院 | 一种用于检测心音信号的高灵敏度柔性压力传感器 |
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