CN111081863A - 一种柔性复合薄膜纳米发电机及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性复合薄膜纳米发电机及其制备方法，属于柔性压电纳米发电机领域。本发明的柔性复合薄膜纳米发电机包括：压电材料层，其由钛酸钡BaTiO3纳米粒子与聚偏二氟乙烯PVDF形成的柔性复合薄膜经多层堆叠而成；第一金属电极，其贴合于压电材料层上表面；第二金属电极，其贴合于压电材料层下表面；第一绝缘层，其位于第一金属电极上方；以及第二绝缘层，其位于第二金属电极下方。本发明的柔性复合薄膜纳米发电机利用了将钛酸钡BaTiO3纳米粒子和聚偏二氟乙烯PVDF柔性复合薄膜多层堆叠，使得制备的发电机电学输出性能提高、电学输出稳定。

Description

一种柔性复合薄膜纳米发电机及其制备方法
技术领域
本发明属于柔性压电纳米发电机领域，具体涉及一种柔性复合薄膜纳米发电机及其制备方法。
背景技术
随着科学技术的飞速发展，可穿戴电子产品不断问世，电子设备正朝着微型化和柔性化的方向发展。压电纳米发电机可以将环境中的机械能转化成为电能，有望在生物医疗、传感、自供电微电子器件等领域得到广泛的应用。
传统的纳米发电机柔性差、含铅压电材料有毒、电学输出功率低等缺点限制了纳米发电机在可穿戴电子器件中的应用。聚偏二氟乙烯(PVDF)，是一种柔性且自身具有压电性质的高聚物，无毒无害、化学稳定性好、成膜性好而成为受青睐的压电柔性材料。同时，压电系数较大的无铅压电陶瓷粉末，如钛酸钡(BaTiO3)、铌酸钾钠((K,Na)NbO3)等，因其具有无污染、制备简单及成本低等优势，是制备柔性压电纳米发电机的良好选择。通过材料和结构设计，将压电材料与柔性材料复合，可以实现柔性压电纳米发电机，构建柔性复合压电器件。丁建宁等人(公开号为CN 107611250A的专利申请)利用流延法制备了PVDF/BaTiO3有机-无机材料复合薄膜的柔性纳米发电机，但其所制备复合薄膜均匀性差、电学输出性能有待进一步提高。S.Wazed Ali等人(A,Teka,etal,Polym.Adv.Technol.,2018,29:2537-2544)，通过静电纺丝的方法制备(K,Na)NbO3/PVDF复合柔性纳米发电机，输出电压最大仅为1.9V。Jong-hyun Ahn等人(Bee S-H,etal,ACS Nano,2013,7(4):3130-3138)通过原子沉积结合涂抹法制备了PVDF-GO-PVDF多层透明柔性薄膜纳米发电机，制备的发电机的输出电压可达3V，但是这种多层结构设计过程复杂、成本高、难以实现大规模生产和应用。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种新的多层柔性复合薄膜纳米发电机及其制备方法，该发电机具有工艺简单、实用性广、电学性能提高明显、效率高等优点，是一种理想的高电学输出的柔性复合薄膜纳米发电机。
本发明的柔性复合薄膜纳米发电机包括：压电材料层，其由钛酸钡BaTiO3纳米粒子与聚偏二氟乙烯PVDF形成的柔性复合薄膜经多层堆叠而成，使得所述多层堆叠的相邻层之间存在空气高介电层；第一金属电极，其贴合于压电材料层上表面；第二金属电极，其贴合于压电材料层下表面；第一绝缘层，其位于第一金属电极上方，覆盖第一金属电极以及压电材料层上表面未被第一金属电极覆盖的部分，且在承受外部第一压力时将第一压力传导给压电材料层；以及第二绝缘层，其位于第二金属电极下方，覆盖第二金属电极以及压电材料层下表面未被第二金属电极覆盖的部分，且在承受外部第二压力时将第二压力传导给压电材料层。
本发明的柔性复合薄膜纳米发电机的制备方法包括：将钛酸钡BaTiO3纳米粒子与聚偏二氟乙烯PVDF形成的柔性复合薄膜进行多层堆叠，从而形成压电材料层；将第一金属电极贴合于压电材料层上表面；将第二金属电极贴合于压电材料层下表面；将第一绝缘层置于第一金属电极上方，使得第一绝缘层覆盖第一金属电极以及压电材料层上表面未被第一金属电极覆盖的部分，且在承受外部第一压力时将第一压力传导给压电材料层；以及将第二绝缘层置于第二金属电极下方，使得第二绝缘层覆盖第二金属电极以及压电材料层下表面未被第二金属电极覆盖的部分，且在承受外部第二压力时将第二压力传导给压电材料层。
本发明的有益效果在于：因多层堆叠的柔性复合薄膜的相邻层之间具有空气间隔，构建了层间电容，从而有效的提高压电输出性能。多层堆叠结构的柔性复合薄膜纳米发电机的制备方法工艺流程简单，操作容易，成本低，在传感器、自供电微电子器件和可穿戴电子设备等领域有广阔的应用前景。
附图说明
图1为本发明的柔性复合薄膜纳米发电机的制备过程示意图；
图2为本发明的柔性复合薄膜纳米发电机的多层堆叠柔性复合薄膜的一个实例的扫描电子显微镜纵向截面图；
图3为本发明的柔性复合薄膜纳米发电机在柔性复合薄膜的不同单层厚度下的电压输出图；
图4为本发明的具有多层柔性复合薄膜的柔性复合薄膜纳米发电机，与具有单层柔性复合薄膜纳米发电机，在电压输出特性上的比较示意图。
具体实施方式
为了使本发明的上述特征和优点更加易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细说明。该详细说明仅仅是为了帮助理解本发明，本发明的保护范围不仅仅限于具体实施方式中的具体说明。
说明：PVDF为聚偏氟乙烯，BTO为BaTiO3，DMF为N,N-二甲基甲酰胺。
在本发明的一个具体实施方式中，本发明的柔性复合薄膜纳米发电机包括压电材料层，该压电材料层由钛酸钡BaTiO3纳米粒子与聚偏二氟乙烯PVDF形成的柔性复合薄膜经多层堆叠而成。
优选的，多层堆叠的柔性复合薄膜可以为2-6层。尤其是，该柔性复合薄膜可以为2-4层。
在该具体实施方式中，单层柔性复合薄膜可以通过如下过程进行制备：
(1)制备BTO/PVDF旋涂液
优选的，在一个实例中，将BTO纳米粒子粉末分散在DMF中，剧烈搅拌，例如超声震荡，从而得到BTO/DMF分散液。在该实例中，先将BTO纳米粒子粉末溶于DMF中并进行超声震荡，能够使BTO纳米粒子粉末更加均匀的分散在DMF中。
然后，根据BTO/DMF分散液的不同加热温度，选择PVDF的量并将其加入到BTO/DMF分散液中，并进行磁力搅拌，直至PVDF全部溶解，从而制得BTO/PVDF混合液。在该实例中，加热温度可以为60-80℃，磁力搅拌时间可以为1-2小时。在该实例中，通过在搅拌过程中加入规定量的PVDF，并磁力搅拌至全部溶解，从而能够得到均匀的BTO/PVDF混合液。
然后，将制得的BTO/PVDF混合液置于真空干燥箱中脱泡大致2小时，制得BTO/PVDF旋涂液。在本实例中，通过将混合液在真空干燥箱中脱泡大致2小时，能够有效避免因为旋涂液中的小气泡而引起复合薄膜缺陷。
(2)制备BTO/PVDF柔性复合薄膜
优选的，可以将步骤(1)制备的BTO/PVDF旋涂液，用滴管吸取1～2滴，滴在2.5cm×2.5cm ITO玻璃上，然后置于匀胶机，以规定的旋涂速率和旋涂时间进行旋涂。
然后，将旋涂好柔性复合薄膜的ITO玻璃片置于加热台上，将溶剂DMF蒸发完毕为止，例如，可以在90℃条件下加热30min。
然后，用夹持工具，例如，用尖头镊子在玻璃片角处，将BTO/PVDF柔性复合薄膜剥离，从而制得BTO/PVDF柔性复合薄膜。
在一个实例中，可以选取旋涂速率和旋涂时间分别为2200rmp和12s，从而得到厚度为10μm的BTO/PVDF柔性复合薄膜。
在另一实例中，可以选取旋涂速率和旋涂时间分别为1800rmp和14s，从而得到厚度为15μm的BTO/PVDF柔性复合薄膜。
在另一实例中，可以选取旋涂速率和旋涂时间分别为900rmp和15s，从而得到厚度为30μm的BTO/PVDF柔性复合薄膜。
在另一实例中，可以选取旋涂速率和旋涂时间分别为450rmp和25s，从而得到厚度为60μm的BTO/PVDF柔性复合薄膜。
在一个实例中，可以利用扫描电子显微镜对柔性复合薄膜的厚度进行表征。如图2中，每层BTO/PVDF柔性复合薄膜的厚度为15μm，因此说明旋涂成膜的方法可以很好的控制复合薄膜的厚度，而且此方法简单，可以重复。
在本发明的一个具体实施方式中，本发明的柔性复合薄膜纳米发电机包括贴合于压电材料层上表面的第一金属电极，以及贴合于压电材料层下表面的第二金属电极。例如，第一金属电极和第二金属电极可以为导电的铜胶带。
在本发明的一个具体实施方式中，本发明的柔性复合薄膜纳米发电机包括分别位于第一金属电极上方和下方的第一绝缘层和第二绝缘层。
在一个实例中，第一绝缘层可以覆盖第一金属电极以及压电材料层上表面未被第一金属电极覆盖的部分，且在承受外部第一压力时将第一压力传导给压电材料层。
在一个实例中，第二绝缘层可以覆盖第二金属电极以及压电材料层下表面未被第二金属电极覆盖的部分，且在承受外部第二压力时将第二压力传导给压电材料层。
例如，第一绝缘层和第二绝缘层可以为PET薄膜，该薄膜分别黏在第一金属电极和第二金属电极上，起绝缘层的作用。
在一个实例中，可以将与第一金属电极和第二金属电极电连接的金属导线，分别从第一电极和第二电极的侧面引出。
例如，金属导线的金属材料可以为铜。
如图3所示，对于只具有一层柔性复合薄膜的柔性复合薄膜纳米发电机，随着柔性复合薄膜的厚度增加，该柔性复合薄膜纳米发电机压电性能虽有增加，但增加程度不大。
如图4所示，在本发明的具体实施方式中，在BTO/PVDF柔性复合薄膜纳米发电机中采用多层堆叠的柔性复合薄膜，在柔性复合薄膜层数为4层，且每层厚度为15μm时，多层堆叠的柔性复合薄膜的总厚度为60μm，该BTO/PVDF柔性复合薄膜纳米发电机的输出电压达到的最大值为14V，明显高于只具有一层厚度为60μm的柔性复合薄膜的柔性复合薄膜纳米发电机的输出电压2V。
在本发明的具体实施方式中，在柔性复合薄膜层数为3层，且每层厚度为20μm时，多层堆叠的柔性复合薄膜的总厚度为60μm，该BTO/PVDF柔性复合薄膜纳米发电机的输出电压达到的最大值为13V，虽低于柔性复合薄膜层数为4层且每层厚度为15μm的BTO/PVDF柔性复合薄膜纳米发电机的输出电压14V，但仍明显高于只具有一层厚度为60μm的柔性复合薄膜的柔性复合薄膜纳米发电机的输出电压2V。
在本发明的具体实施方式中，在柔性复合薄膜层数为2层，且每层厚度为30μm时，多层堆叠的柔性复合薄膜的总厚度为60μm，该BTO/PVDF柔性复合薄膜纳米发电机的输出电压达到的最大值为10V，虽低于柔性复合薄膜层数为3层且每层厚度为20μm的BTO/PVDF柔性复合薄膜纳米发电机的输出电压13V，但仍明显高于只具有一层厚度为60μm的柔性复合薄膜的柔性复合薄膜纳米发电机的输出电压2V。
在本发明的具体实施方式中，在柔性复合薄膜层数为6层，且每层厚度为10μm时，多层堆叠的柔性复合薄膜的总厚度为60μm，该BTO/PVDF柔性复合薄膜纳米发电机的输出电压达到的最大值为4V，虽低于柔性复合薄膜层数为2层且每层厚度为30μm的BTO/PVDF柔性复合薄膜纳米发电机的输出电压10V，但仍高于只具有一层厚度为60μm的柔性复合薄膜的柔性复合薄膜纳米发电机的输出电压2V。
简言之，在本发明的具体实施方式中，采用多层堆叠制备的BTO/PVDF柔性复合薄膜纳米发电机能够获得高性能的电学输出。这种操作方法简便、成本低的提高压电输出性能的方法，对于压电传感器、自供电微电子设备及可穿戴健康监测设备的发展起到促进作用。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims (10)

1.一种柔性复合薄膜纳米发电机，其特征在于包括：
压电材料层，其由钛酸钡BaTiO3纳米粒子与聚偏二氟乙烯PVDF形成的柔性复合薄膜经多层堆叠而成，使得所述多层堆叠的相邻层之间存在空气高介电层；
第一金属电极，其贴合于所述压电材料层上表面；
第二金属电极，其贴合于所述压电材料层下表面；
第一绝缘层，其位于所述第一金属电极上方，覆盖所述第一金属电极以及所述压电材料层上表面未被所述第一金属电极覆盖的部分，且在承受外部第一压力时将所述第一压力传导给所述压电材料层；以及
第二绝缘层，其位于所述第二金属电极下方，覆盖所述第二金属电极以及所述压电材料层下表面未被所述第二金属电极覆盖的部分，且在承受外部第二压力时将所述第二压力传导给所述压电材料层。
2.根据权利要求1所述的柔性复合薄膜纳米发电机，其特征在于：
所述多层堆叠的层数为2-6层。
3.根据权利要求2所述的柔性复合薄膜纳米发电机，其特征在于：所述多层堆叠的层数为2-4层。
4.根据权利要求3所述的柔性复合薄膜纳米发电机，其特征在于：所述多层堆叠的层数为4层。
5.根据权利要求1或2所述的柔性复合薄膜纳米发电机，其特征在于：所述柔性复合薄膜的单层厚度为10-30μm。
6.一种柔性复合薄膜纳米发电机的制备方法，其特征在于包括：
将钛酸钡BaTiO3纳米粒子与聚偏二氟乙烯PVDF形成的柔性复合薄膜进行多层堆叠，从而形成压电材料层，所述多层堆叠的相邻层之间存在空气高介电层；
将第一金属电极贴合于所述压电材料层上表面；
将第二金属电极贴合于所述压电材料层下表面；
将第一绝缘层置于所述第一金属电极上方，使得所述第一绝缘层覆盖所述第一金属电极以及所述压电材料层上表面未被所述第一金属电极覆盖的部分，且在承受外部第一压力时将所述第一压力传导给所述压电材料层；以及
将第二绝缘层置于所述第二金属电极下方，使得所述第二绝缘层覆盖所述第二金属电极以及所述压电材料层下表面未被所述第二金属电极覆盖的部分，且在承受外部第二压力时将所述第二压力传导给所述压电材料层。
7.根据权利要求6所述的柔性复合薄膜纳米发电机的制备方法，其特征在于：
所述多层堆叠的层数为2-6层。
8.根据权利要求7所述的柔性复合薄膜纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述多层堆叠的层数为2-4层。
9.根据权利要求8所述的柔性复合薄膜纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述多层堆叠的层数为4层。
10.根据权利要求6或7所述的柔性复合薄膜纳米发电机的制备方法，其特征在于：所述柔性复合薄膜的单层厚度为10-30μm。
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