CN110365246B - 一种微立体光刻制备柔性摩擦-压电复合式俘能器的方法 - Google Patents
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Abstract
一种微立体光刻制备柔性摩擦‑压电复合式俘能器的方法，先进性压电材料的分散，然后进行压电光敏树脂的配制，再进行微结构波浪形压电俘能器的制备，将压电光敏树脂通过紫外光照射，利用微立体固化工艺制备成微结构波浪形压电薄膜，在微结构波浪形压电薄膜上下两侧粘连带有上、下金属电极的上、下柔性基底，上、下金属电极连接电源，并于烘箱中进行热极化，将烘箱冷却至室温后撤去电压，得到微结构波浪形压电俘能器；最后进行柔性摩擦‑压电复合俘能器的制备，将微结构波浪形压电俘能器放置在粘有摩擦材料的导电基底上构成柔性摩擦‑压电复合俘能器；本发明工艺简单、低成本、极大提高俘能器的输出性能。
Description
技术领域
本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种微立体光刻制备柔性摩擦-压电复合式俘能器的方法。
背景技术
机械能是一种可再生、可重复利用的能源，由于其以不同的形式可以广泛的存在与周围的环境之中，例如：风能、水能，人类运动、机械振动产生的能量，然而大多数机械能并没有被充分的利用。近年来，许多学者致力于将机械能有效的转换为电能，并由此发明了压电俘能器、摩擦俘能器。其中压电材料由于在力的作用下可以产生电压，因此压电器件被广泛应用智能传感，可穿戴设备，能量回收等领域中。然而由于其输出性能小，并不能为较大功率器件供电，因此如何提升压电俘能器的输出性能尤为重要。目前提升其性能的方法主要包括复合材料、器件微结构化以及摩擦压电复合供电，其中复合材料可以提升压电材料本身的铁电、压电性能，微结构可以使压电材料在内部产生应力集中从而产生更大的应变来增大两侧的电势，这些方法都极大的提升了压电俘能器的输出性能，而摩擦俘能器由于其本身的高输出电压，是理想的电流源，可以产生较大的输出功率，然而摩擦俘能器输出性能不稳定，且需要不同极性的材料作为摩擦副，作用方式较为单一，因此应将摩擦俘能器和压电俘能器有机复合，增强俘能器的输出性能，稳定的将机械能转换为电能。这种柔性摩擦-压电复合俘能器在智能检测，电子器件自供能，柔性传感等领域由良好的应用前景。
压电陶瓷有非常高的介电常数和压电系数，能够有效的将机械能转化为电能，但其脆性较大、抗冲击能力差，机械加工性差，难以微结构化提升压电性能。因此压电陶瓷微纳米加工对俘能器的输出性能的提高至关重要。
对于压电陶瓷目前还尚未有很好的结构加工技术，并且压电陶瓷俘能器由于较差的机械加工性，无法满足摩擦俘能器需要的接触分离的柔性的作用方式，无法将摩擦带电和压电效应有机复合。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种微立体光刻制备柔性摩擦-压电复合式俘能器的方法，将压电陶瓷掺杂在光敏树脂中，利用微立体光刻技术制备微结构波浪形压电俘能器，并且波浪形结构使压电俘能器与摩擦俘能器有机复合，工艺简单、低成本、极大提高俘能器的输出性能。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种微立体光刻制备柔性摩擦-压电复合式俘能器的方法，包括以下步骤：
第一步，压电材料的分散：将压电材料分散到有机溶剂中，在室温下用磁力搅拌机搅拌60分钟，然后用超声清洗机超声20分钟，使其分散均匀；
第二步，压电光敏树脂2的配制：将第一步分散均匀的溶液以1％～10％质量分数与柔性光敏树脂混合，然后放入真空烘箱中加热使有机溶剂完全蒸发，得到压电光敏树脂2；
第三步，微结构波浪形压电俘能器的制备：将压电光敏树脂2通过紫外光1照射，利用微立体固化工艺制备成微结构波浪形压电薄膜3，在微结构波浪形压电薄膜3上下两侧粘连带有上金属电极5、下金属电极6的上柔性基底4、下柔性基底7，上金属电极5连接电源8负极，下金属电极6连接电源8正极，并于温度80～120℃的烘箱中进行热极化，保持施加电压40～60分钟，然后在保持电压不变的情况下，将烘箱冷却至室温后撤去电压，得到微结构波浪形压电俘能器；
第四步，柔性摩擦-压电复合俘能器的制备：将第三步制备的微结构波浪形压电俘能器放置在粘有摩擦材料9的导电基底10上构成柔性摩擦-压电复合俘能器。
在垂直柔性摩擦-压电复合俘能器方向的力的作用下，微结构波浪形压电俘能器会发生形变，导致下柔性基底7与摩擦材料9发生接触，在下柔性基底7产生正电荷，摩擦材料9上产生负电荷，从而产生由导电基底10流向下金属电极6的电流I2；在下柔性基底7完全与摩擦材料9接触时，微结构波浪形压电俘能器上产生由下金属电极6流向上金属电极5的电流I1；在循环的力的作用下，实现摩擦俘能器和压电俘能器的复合作用。
所述的第一步中压电材料是氮化硼纳米管、氮化硼纳米片、钛酸钡或锆钛酸铅的压电陶瓷；所述的有机溶剂是N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基乙酰胺。
所述的第三步柔性基底是聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二酯。
所述的第四步摩擦材料9是聚二甲基硅氧烷或聚四氟乙烯，导电基底10是ITO导电玻璃或FTO导电玻璃。
本发明的有益效果为：
本发明通过微立体光刻技术制备微结构压电俘能器，利用微结构受到的应力集中作用从而极大的提升了微结构压电俘能器两侧的电势差，从而输出更大的电压，并且将摩擦、压电一体复合，可以同时将压电输出以及摩擦输出叠加，产生更大的输出性能。可以利用将压力、应变等机械能转换为电能为电子器件供能，并且其低成本高效率的特点可以满足器件制造的批量化，能量回收，电子器件自供能等领域有着良好的应用前景。
附图说明
图1为本发明微粒体光刻工艺示意图。
图2为本发明制备微结构波浪形压电薄膜示意图。
图3为本发明制备的微结构波浪形压电俘能器示意图。
图4为本发明制备的微结构波浪形压电俘能器热极化示意图。
图5为本发明制备的柔性摩擦-压电复合俘能器示意图。
图6为本发明制备的柔性摩擦-压电复合俘能器受力工作示意图。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明做详细描述。
一种微立体光刻制备柔性摩擦-压电复合式俘能器的方法，包括以下步骤：
第一步，压电材料的分散：将压电材料分散到有机溶剂中，在室温下用磁力搅拌机搅拌60分钟，然后用超声清洗机超声20分钟，使其分散均匀；
压电材料是氮化硼纳米管、氮化硼纳米片、钛酸钡或锆钛酸铅等压电陶瓷；有机溶剂是N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基乙酰胺；
第二步，压电光敏树脂2的配制：将第一步分散均匀的溶液以一定质量分数与柔性光敏树脂混合，质量分数是1％～10％；然后放入真空烘箱中加热使有机溶剂完全蒸发，得到压电光敏树脂2；
第三步，微结构波浪形压电俘能器的制备：将压电光敏树脂2通过紫外光1照射，如图1所示；利用微立体固化工艺制备成微结构波浪形压电薄膜3，如图2所示；在微结构波浪形压电薄膜3上下两侧粘连带有上金属电极5、下金属电极6的上柔性基底4、下柔性基底7，如图3所示，柔性基底是聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二酯；上金属电极5连接电源8负极，下金属电极6连接电源8正极，并于温度80～120℃的烘箱中进行热极化，保持施加电压40～60分钟，使其内部分子沿电场方向取向，如图4所示；然后在保持电压不变的情况下，将烘箱冷却至室温后撤去电压，得到微结构波浪形压电俘能器；
第四步，柔性摩擦-压电复合俘能器的制备：将第三步制备的微结构波浪形压电俘能器放置在粘有摩擦材料9的导电基底10上，构成柔性摩擦压电-复合俘能器，如图5所示；在垂直柔性摩擦-压电复合俘能器方向的力F的作用下，微结构波浪形压电俘能器会发生形变，导致下柔性基底7与摩擦材料9发生接触，在下柔性基底7产生正电荷，摩擦材料9上产生负电荷，从而产生由导电基底10流向下金属电极6的电流I2，在下柔性基底7完全与摩擦材料9接触时，微结构波浪形压电俘能器上产生由下金属电极6流向上金属电极5的电流I1，如图6所示；在循环的力的作用下，实现摩擦俘能器和压电俘能器的复合作用；
所述的摩擦材料9是聚二甲基硅氧烷，聚四氟乙烯等，导电基底10是ITO导电玻璃或FTO导电玻璃。
Claims (5)
1.一种微立体光刻制备柔性摩擦-压电复合式俘能器的方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，压电材料的分散：将压电材料分散到有机溶剂中，在室温下用磁力搅拌机搅拌60分钟，然后用超声清洗机超声20分钟，使其分散均匀；
第二步，压电光敏树脂(2)的配制：将第一步分散均匀的溶液以1％～10％质量分数与柔性光敏树脂混合，然后放入真空烘箱中加热使有机溶剂完全蒸发，得到压电光敏树脂(2)；
第三步，微结构波浪形压电俘能器的制备：将压电光敏树脂(2)通过紫外光(1)照射，利用微立体固化工艺制备成微结构波浪形压电薄膜(3)，在微结构波浪形压电薄膜(3)上下两侧粘连带有上金属电极(5)、下金属电极(6)的上柔性基底(4)、下柔性基底(7)，上金属电极(5)连接电源(8)负极，下金属电极(6)连接电源(8)正极，并于温度80～120℃的烘箱中进行热极化，保持施加电压40～60分钟，然后在保持电压不变的情况下，将烘箱冷却至室温后撤去电压，得到微结构波浪形压电俘能器；
第四步，柔性摩擦-压电复合俘能器的制备：将第三步制备的微结构波浪形压电俘能器放置在粘有摩擦材料(9)的导电基底(10)上，构成柔性摩擦-压电复合俘能器。
2.根据权利要求1所述的一种微立体光刻制备柔性摩擦-压电复合式俘能器的方法，其特征在于：在垂直柔性摩擦-压电复合俘能器方向的力的作用下，微结构波浪形压电俘能器会发生形变，导致下柔性基底(7)与摩擦材料(9)发生接触，在下柔性基底(7)产生正电荷，摩擦材料(9)上产生负电荷，从而产生由导电基底(10)流向下金属电极(6)的电流I2；在下柔性基底(7)完全与摩擦材料(9)接触时，微结构波浪形压电俘能器上产生由下金属电极(6)流向上金属电极(5)的电流I1；在循环的力的作用下，实现摩擦俘能器和压电俘能器的复合作用。
3.根据权利要求1所述的一种微立体光刻制备柔性摩擦-压电复合式俘能器的方法，其特征在于：所述的第一步中压电材料是氮化硼纳米管、氮化硼纳米片、钛酸钡或锆钛酸铅的压电陶瓷；所述的有机溶剂是N，N-二甲基甲酰胺、N-甲基吡咯烷酮或二甲基乙酰胺。
4.根据权利要求1所述的一种微立体光刻制备柔性摩擦-压电复合式俘能器的方法，其特征在于：所述的第三步上柔性基底(4)和下柔性基底(7)是聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二酯。
5.根据权利要求1所述的一种微立体光刻制备柔性摩擦-压电复合式俘能器的方法，其特征在于：所述的第四步摩擦材料(9)是聚二甲基硅氧烷或聚四氟乙烯，导电基底(10)是ITO导电玻璃或FTO导电玻璃。
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