CN114977881A - 一种交变电场序构提升压电-热释电耦合复合功能薄膜输出性能方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种交变电场序构提升压电‑热释电耦合复合功能薄膜输出性能方法，利用外接交变电场到复合型聚合物基复合薄膜层，在固化过程中对其内部散布的铁电陶瓷颗粒进行定向排布，以制备成具有特定取向的聚合物基铁电复合薄膜，该方法不仅可以提升聚合物基复合薄膜的应力传导系数与压电系数，进而提升压电输出；同时可以提升聚合物基复合薄膜的传热速率与自发极化强度，以提升热释电输出。本发明简单易行，充分利用了能量转化界面处动态运动能量和温度变化能量，提升了两种能量收集效率。
Description
技术领域
本发明属于纳米材料领域、微纳能源领域，涉及成膜技术，具体涉及一种交变电场序构提升压电-热释电耦合复合功能薄膜输出性能方法、制备方法。
背景技术
随着传统化石能源的快速消耗以及绿色环保的迫切要求，当前的能源结构及其供应状况正面临着前所未有的挑战。能源危机和环境恶化限制着社会的经济发展。在这种情况下，迫切需要将能源结构从稀缺，易污染和不可复制的矿产资源转变为丰富，环保和可再生的绿色能源。
压电-热释电复合能量收集薄膜的发明，推动了环境机械能的有效收集，例如可以从太阳，风，海浪等可再生自然资源中获取能量，且不会排放任何污染环境的物质，是解决能源危机和环境污染问题的一种有效的方法。由于其具有轻便、灵活、选材范围广等特点，可收集来自人体、自然环境中低频且不规律的机械能，为小型电子器件提供能量，使其在触屏技术、电子皮肤、医疗保健、基础设施监控、环境监测等方面都具有潜在应用价值。
压电-热释电复合能量收集薄膜作为能量收集器，其应用很大程度上取决于其输出性能。对于压电效应，表面电荷密度与压电系数成正比；对于热释电效应，功率密度与复合薄膜的温度变化速率成正比。因此人们努力通过材料选择和结构优化等方式提高复合薄膜的压电系数和传热速率，从而扩展压电-热释电复合能量收集薄膜的应用领域。现有的研究大多是通过调整工艺参数然后测试薄膜的性能，再调整再测试，反复调整实现性能的优化。
为了进一步提高压电-热释电复合能量收集薄膜的输出性能，扩展其应用范围，有必要在微观层面对压电-热释电材料的结构进行改进，增加复合薄膜的压电常数和热传导速率。在微观层面设计压电-热释电材料结构的方法操作简单、成本低廉、实用性高，改善了能量收集薄膜的应用前景，扩大了应用范围，为压电和热释电能量收集复合薄膜的优化提供了一个新的研究方向。
发明内容
本发明的目的在于提供一种交变电场序构提升压电-热释电耦合复合功能薄膜输出性能方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种交变电场序构提升压电-热释电耦合复合功能薄膜输出性能方法，所述纳米发电机的结构由下到上依次为下层电极、纳米复合薄膜、上层电极；
所述纳米复合薄膜是铁电陶瓷和聚合物的复合物，是借助外电场将铁电陶瓷纳米颗粒沿着薄膜厚度方向排列填充到聚合物薄膜而构成的；
所述纳米复合薄膜是利用自身内部热释电颗粒的排列效果来提升对压电和热释电的响应，即当薄膜收到弯曲或者挤压时输出压电信号，当薄膜的温度发生变化时产生热释电信号。
作为优选方式，通过外接交流电源施加交变电场，使基体薄膜没有凝固时铁电陶瓷颗粒在交变电场的作用下沿z轴(3方向)电场方向对齐排列，首尾相接组成链状结构，从而在相同体积分数下提升复合薄膜的压电系数d33和热传导系数。
作为优选方式，铁电陶瓷颗粒对齐排列后促进应力的传导，以提升陶瓷相上的应变以提升压电系数d33，而且也促进了热量的传导，从而同时提升了热释电能量收集。
作为优选方式，复合薄膜压电极性方向与其热释电极性方向一致，在外电路中得到叠加，且颗粒在电场作用下收尾相接，以增加能量传导效率。
作为优选方式，将纳米颗粒压电材料填充散布到聚合物薄膜中，在其还未固化完成前，通过交流发电机产生高电压输出60V-300V、50-200Hz的交流电，在20℃-30℃的环境静置1h，使得纳米颗粒沿电场线反向首尾相接排列成链状，然后升高温度至100℃使PDMS快速凝固成膜，增加应力传导效率和热量传导效率。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种提升压电-热释电复合薄膜输出性能的纳米复合薄膜的制备方法，包括如下步骤：该方法脱胎于流延法，包括如下步骤：
(1)、准备铌镁钛酸铅(PMN-PT)纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷(PDMS)和其固化剂并将它们按质量比26:10:1混合均匀得到混合物；
(2)、将配好的配置好的混合物取适量放在ITO玻璃上，抽真空，在真空环境下除去混合物中的气泡；
(3)、把另一块ITO玻璃压在上面，缓慢的抽第二次真空，两玻璃板间隔100μm-200μm；
(4)、从ITO表面引出导线(用银浆粘连ITO与导线末端)，并连接到交流电源上；
(5)、交流电源输出110V-220V、30-200Hz的交流电压，在20℃-30℃静置1h，后升高温度到100℃等待聚二甲基硅氧烷完全固化；
(6)、断开电源，将两片ITO玻璃电极分开，用刀片将ITO玻璃上的复合薄膜切下；
(7)、用铜电极贴在复合薄膜的两侧，作为导电电极；
(8)、使用油浴极化装置，将复合薄膜在100℃，1500V直流高压下极化1h，然后断开加热装置，保持电压待到油浴极化装置自然降温到室温左右，使铁电陶瓷颗粒尽可能的被极化。
一种利用纳米复合薄膜组装出的压电热释电能量收集薄膜，包括如下步骤：
(1)在复合压电薄膜的两侧贴上铜电极作为电极。
(2)有导电银浆将银导线粘贴在铜电极上。
(3)将薄膜整体贴在GU膜上，有GU膜将薄膜整体封装起来。
作为优选方式，纳米颗粒排列为垂直于聚合物-金属接触薄膜界面的链状结构，纳米颗粒压电材料占聚合物薄膜的体积分数为20％-40％，纳米颗粒直径范围为10μm，其排列形成的链状结构长度范围为100-150μm。
作为优选方式，所述铁电陶瓷颗粒的材料为钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系、铌镁酸铅、铌镁钛酸铅中的任意一种。
作为优选方式，聚合物薄膜材料选自聚偏氟乙烯PVDF，PVDF-TrFE,P(VDF-HFP)，聚二甲基硅氧烷PDMS，3-己基噻吩聚合物P3HT，聚四氟乙烯PTFE，聚苯胺，聚吡咯，聚对苯二甲酸乙二醇酯PET聚合物材料其中一种。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明给出了一种提升压电-热释电复合薄膜输出性能的方法、复合薄膜及制备方法，该方法操作简单，实用性高，成本低廉，可加工性强，可靠性高，为压电-热释电复合薄膜的优化提供了一个新的发展方向。在以往的复合薄膜的优化工作相比，本发明从微观层面改善了铁电陶瓷颗粒材料微观结构，通过加入垂直薄膜表面排列的陶瓷纳米颗粒结构，提高了聚合物薄膜的压电系数与热释电系数，使压电-热释电复合薄膜的输出性能得到进一步提升。本发明给出的微观设计方法操作简单、成本低廉、实用性高、可加工性强、可靠性高，改善了压电-热释电复合薄膜的应用前景，扩大了应用范围，为压电-热释电复合薄膜的优化提供了一个新的研究方向。
附图说明
图1为复合薄膜中陶瓷颗粒在电场下对齐排列的示意图；
图2为本发明的复合薄膜内部微观结构示意图，以及在1N压力下不同聚合程度材料的应力应变、压电电场、压电电势的可视化；
图3为复合薄膜压电系数d33、介电常数ε33的相场模拟结果；
图4为复合薄膜的传热速率相场模拟结果；
图5为制作的复合薄膜的实物示意图；
图6为复合薄膜的截面SEM-BSE表征图；
图7为以PZT和Sm-PMN-PT为掺杂体的复合薄膜，内部陶瓷颗粒排列情况不同的压电输出情况；
图8：Sm-PMN-PT排列形态不同的复合薄膜的热释电输出。
具体实施方式
实施例1
一种交变电场序构提升压电-热释电耦合复合功能薄膜输出性能方法，纳米发电机的结构由下到上依次为下层电极、纳米复合薄膜、上层电极；
纳米复合薄膜是铁电陶瓷和聚合物的复合物，是借助外电场将铁电陶瓷纳米颗粒沿着薄膜厚度方向排列填充到聚合物薄膜而构成的；
纳米复合薄膜是利用自身内部热释电颗粒的排列效果来提升对压电和热释电的响应，即当薄膜收到弯曲或者挤压时输出压电信号，当薄膜的温度发生变化时产生热释电信号。
通过外接交流电源施加交变电场，使基体薄膜没有凝固时铁电陶瓷颗粒在交变电场的作用下沿z轴(3方向)电场方向对齐排列，首尾相接组成链状结构，从而在相同体积分数下提升复合薄膜的压电系数d33和热传导系数。
铁电陶瓷颗粒对齐排列后促进应力的传导，以提升陶瓷相上的应变以提升压电系数d33，而且也促进了热量的传导，从而同时提升了热释电能量收集。
复合薄膜压电极性方向与其热释电极性方向一致，在外电路中得到叠加，且颗粒在电场作用下收尾相接，以增加能量传导效率。
将纳米颗粒压电材料填充散布到聚合物薄膜中，在其还未固化完成前，通过交流发电机产生高电压输出60V-300V、50-200Hz的交流电，在20℃-30℃的环境静置1h，使得纳米颗粒沿电场线反向首尾相接排列成链状，然后升高温度至100℃使PDMS快速凝固成膜，增加应力传导效率和热量传导效率。
为实现上述发明目的，本发明还提供一种提升压电-热释电复合薄膜输出性能的纳米复合薄膜的制备方法，包括如下步骤：该方法脱胎于流延法，包括如下步骤：
(1)、准备铌镁钛酸铅(PMN-PT)纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷(PDMS)和其固化剂并将它们按质量比26:10:1混合均匀得到混合物；
(2)、将配好的配置好的混合物取适量放在ITO玻璃上，抽真空，在真空环境下除去混合物中的气泡；
(3)、把另一块ITO玻璃压在上面，缓慢的抽第二次真空，两玻璃板间隔100μm-200μm；
(4)、从ITO表面引出导线(用银浆粘连ITO与导线末端)，并连接到交流电源上；
(5)、交流电源输出110V-220V、30-200Hz的交流电压，在20℃-30℃静置1h，后升高温度到100℃等待聚二甲基硅氧烷完全固化；
(6)、断开电源，将两片ITO玻璃电极分开，用刀片将ITO玻璃上的复合薄膜切下；
(7)、用铜电极贴在复合薄膜的两侧，作为导电电极；
(8)、使用油浴极化装置，将复合薄膜在100℃，1500V直流高压下极化1h，然后断开加热装置，保持电压待到油浴极化装置自然降温到室温左右，使铁电陶瓷颗粒尽可能的被极化。
PMN-PT陶瓷颗粒与和PDMS的介电常数相差很大，在外加电场的作用下，PMN-PT陶瓷颗粒受到的介电泳力会比较大，铁电陶瓷颗粒互相吸引并顺着电场运动，很容易得到对齐排列的链状结构。
通过在聚合物薄膜中引入纳米陶瓷材料，可以有效增强薄膜的压电系数和介电常数，提高纳米复合薄膜的压电和热释电输出性能。
对于压电效应，表面电荷密度与压电系数成正比，如公式(1)所示：
Q＝d33×F
记为公式(1)；
其中，Q为薄膜表面的感应电荷量；d33为压电薄膜的压电系数；F为垂直于薄膜表面的作用力。
从公式(1)可以看出，其他条件一定，当压电系数d33升高时，压电输出电荷量增加。
从图3和图6可见，电场序构之后的复合薄膜d33和压电电势和电场都得到了提升。
对于热释电效应，热释电电流的大小和复合薄膜的温度变化速率正正比，如公式(2)所示：
ip＝Ap(dT/dt)
记为公式(2)；
其中，A是热释电材料的面积，p是热释电系数，dT/dt是热释电材料温度的变化率。
从公式(2)可以看出，其他条件一定，当热释电材料的热传导速率越快，热释电电流越大。
一种利用纳米复合薄膜组装出的压电热释电能量收集薄膜，包括如下步骤：
(1)在复合压电薄膜的两侧贴上铜电极作为电极。
(2)有导电银浆将银导线粘贴在铜电极上。
(3)将薄膜整体贴在GU膜上，有GU膜将薄膜整体封装起来。
作为优选方式，纳米颗粒排列为垂直于聚合物-金属接触薄膜界面的链状结构，纳米颗粒压电材料占聚合物薄膜的体积分数为20％-40％，纳米颗粒直径范围为10μm，其排列形成的链状结构长度范围为100-150μm。
所述铁电陶瓷颗粒的材料为钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系、铌镁酸铅、铌镁钛酸铅中的任意一种。
聚合物薄膜材料选自聚偏氟乙烯PVDF，PVDF-TrFE,P(VDF-HFP)，聚二甲基硅氧烷PDMS，3-己基噻吩聚合物P3HT，聚四氟乙烯PTFE，聚苯胺，聚吡咯，聚对苯二甲酸乙二醇酯PET聚合物材料其中一种。
本实施例提供一种提升压电-热释电复合薄膜输出性能的方法，在聚合物薄膜中散布纳米微粒铁电陶瓷材料形成纳米复合薄膜，铁电陶瓷颗粒在聚合物薄膜中垂直于聚合物薄膜上表面排列成链状，将垂直施加在薄膜表面的压力尽可能的通过压电效应转换成电能，同时也可以将热量沿着链状结构传递，提升复合薄膜的压电和热释电效应。
纳米复合薄膜是铁电陶瓷和聚合物的复合物，是将铁电陶瓷微粒填充并散布到聚合物薄膜而构成的，将铁电陶瓷颗粒排列成链状垂直于复合薄膜带电荷表面，用于增强换能效率。
将铁电陶瓷微粒填充散布到聚合物薄膜中，通过外接电源产生高电压输出60V-300V、10-300Hz的交流电，在20℃-30℃的环境静置1h，使得纳米颗粒排列成链状，将温度升高到100℃待聚合物凝固将铁电陶瓷颗粒固定住，制作取向一致的复合薄膜。
纳米颗粒排列为垂直于聚合物-金属接触薄膜界面的链状结构，纳米颗粒压电材料占聚合物薄膜的体积分数为10％-30％，纳米颗粒直径范围为1-10μm，其排列形成的链状结构长度范围为10-100μm。
所述铁电陶瓷颗粒的材料为钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系、铌镁酸铅中的任意一种。聚合物薄膜材料选自聚偏氟乙烯PVDF，PVDF-TrFE,P(VDF-HFP)，聚二甲基硅氧烷PDMS，3-己基噻吩聚合物P3HT，聚四氟乙烯PTFE，聚苯胺，聚吡咯，聚对苯二甲酸乙二醇酯PET聚合物材料其中一种。
所述的纳米复合薄膜具有普遍性，可以广泛应用在按压、弯曲、温度变化、双电极压电-热释电复合薄膜中以提升输出性能的功能。
通过在聚合物薄膜中引入铁电陶瓷微粒材料，可以有效增强薄膜的压电系数和介电常数，提高纳米复合薄膜的压电和热释电输出性能。
对于压电效应，表面电荷密度与压电系数成正比。
Q＝d33×F
记为公式(1)；
其中，Q为薄膜表面的感应电荷量；d33为压电薄膜的压电系数；F为垂直于薄膜表面的作用力。从公式(1)可以看出，其他条件一定，当压电系数d33升高时，复合薄膜的输出电荷量增加。
对于热释电效应，热释电电流与薄膜的热释电系数和导热速率相关。
ip＝Ap(dT/dt)
记为公式(2)；
公式(2)中A是热释电材料，p是热释电系数，dT/dt是温度变化速率，当复合薄膜的材料相同时，温度变化速率越快，热释电电流越大。
因此，该技术制作的复合薄膜的压电与热释电输出性能都将得到极大的提高。
实施例2
本实施例提供一种提升压电-热释电复合薄膜输出性能的纳米复合起电薄膜的制备方法，该方法脱胎于流延法，包括如下步骤：
(1)准备PZT颗粒和二甲基硅氧烷和其固化剂并将它们按质量比24:10:1混合均匀得到混合物；
(2)将配好的配置好的混合物取适量放在ITO玻璃上，抽真空，在真空环境下除去混合物中的气泡；
(3)把另一块ITO玻璃压在上面，缓慢的抽第二次真空，两玻璃板间隔100μm-200μm；
(4)从ITO表面引出导线(用银浆粘连ITO与导线末端)，再对其加电压；
(5)用交流电源输出110V-220V、30-50Hz的交流电压，在20℃-30℃下静置1h，后升温至100℃，等待二甲基硅氧烷完全固化；
(6)断开电源，将两片ITO玻璃电极分开，取出夹在中间的复合薄膜，在复合薄膜的表面贴上铜电极。
(7)使用油浴极化装置，将复合薄膜在100℃，1500V直流高压下极化1h，使铁电陶瓷颗粒尽可能的被极化。
以上所述的，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种交变电场序构提升压电-热释电耦合复合功能薄膜输出性能方法，其特征在于：所述纳米发电机的结构由下到上依次为下层电极、纳米复合薄膜、上层电极；
所述纳米复合薄膜是铁电陶瓷和聚合物的复合物，是借助外电场将铁电陶瓷纳米颗粒沿着薄膜厚度方向排列填充到聚合物薄膜而构成的；
所述纳米复合薄膜是利用自身内部热释电颗粒的排列效果来提升对压电和热释电的响应，即当薄膜收到弯曲或者挤压时输出压电信号，当薄膜的温度发生变化时产生热释电信号。
2.根据权利要求1所述的一种交变电场序构提升压电-热释电耦合复合功能薄膜输出性能方法，其特征在于：通过外接交流电源施加交变电场，使基体薄膜没有凝固时铁电陶瓷颗粒在交变电场的作用下沿z轴（3方向）电场方向对齐排列，首尾相接组成链状结构，从而在相同体积分数下提升复合薄膜的压电系数d33和热传导系数。
3.根据权利要求1所述的一种交变电场序构提升压电-热释电耦合复合功能薄膜输出性能方法，其特征在于：铁电陶瓷颗粒对齐排列后促进应力的传导，以提升陶瓷相上的应变以提升压电系数d33，而且也促进了热量的传导，从而同时提升了热释电能量收集。
4.根据权利要求1所述的一种交变电场序构提升压电-热释电耦合复合功能薄膜输出性能方法，其特征在于：复合薄膜压电极性方向与其热释电极性方向一致，在外电路中得到叠加，且颗粒在电场作用下收尾相接，以增加能量传导效率。
5.根据权利要求1所述的一种交变电场序构提升压电-热释电耦合复合功能薄膜输出性能方法，其特征在于：将纳米颗粒压电材料填充散布到聚合物薄膜中，在其还未固化完成前，通过交流发电机产生高电压输出60V-300V、50-200Hz的交流电，在20 °C-30°C的环境静置1h，使得纳米颗粒沿电场线反向首尾相接排列成链状，然后升高温度至100℃使PDMS快速凝固成膜，增加应力传导效率和热量传导效率。
6.一种交变电场序构提升压电-热释电耦合复合功能薄膜输出性能方法的纳米复合薄膜的制备方法，该方法脱胎于流延法，其特征在于：包括如下步骤：
（1）、准备铌镁钛酸铅(PMN-PT)纳米颗粒和聚二甲基硅氧烷（PDMS）和其固化剂并将它们按质量比26:10:1混合均匀得到混合物；
（2）、将配好的配置好的混合物取适量放在ITO玻璃上，抽真空，在真空环境下除去混合物中的气泡；
（3）、把另一块ITO玻璃压在上面，缓慢的抽第二次真空，两玻璃板间隔100μm-200μm；
（4）、从ITO表面引出导线（用银浆粘连ITO与导线末端），并连接到交流电源上；
（5）、交流电源输出110V-220V、30-200Hz的交流电压，在20°C-30°C静置1h，后升高温度到100℃等待聚二甲基硅氧烷完全固化；
（6）、断开电源，将两片ITO玻璃电极分开，用刀片将ITO玻璃上的复合薄膜切下；
（7）、用铜电极贴在复合薄膜的两侧，作为导电电极；
（8）、使用油浴极化装置，将复合薄膜在100℃，1500V直流高压下极化1h，然后断开加热装置，保持电压待到油浴极化装置自然降温到室温左右，使铁电陶瓷颗粒尽可能的被极化。
7.一种利用纳米复合薄膜组装出的压电热释电能量收集薄膜，其特征在于：包括如下步骤：
（1）在复合压电薄膜的两侧贴上铜电极作为电极；
（2）有导电银浆将银导线粘贴在铜电极上；
（3）将薄膜整体贴在GU膜上，有GU膜将薄膜整体封装起来。
8.根据权利要求1所述的一种交变电场序构提升压电-热释电耦合复合功能薄膜输出性能方法，其特征在于：纳米颗粒排列为垂直于聚合物-金属接触薄膜界面的链状结构，纳米颗粒压电材料占聚合物薄膜的体积分数为20%-40%，纳米颗粒直径范围为10μm，其排列形成的链状结构长度范围为100-150μm。
9.根据权利要求1所述的一种交变电场序构提升压电-热释电耦合复合功能薄膜输出性能方法，其特征在于，所述铁电陶瓷颗粒的材料为钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐系、铌镁酸铅、铌镁钛酸铅中的任意一种。
10.根据权利要求1所述的一种交变电场序构提升压电-热释电耦合复合功能薄膜输出性能方法，其特征在于：聚合物薄膜材料选自聚偏氟乙烯PVDF，PVDF-TrFE, P(VDF-HFP)，聚二甲基硅氧烷PDMS，3-己基噻吩聚合物P3HT，聚四氟乙烯PTFE，聚苯胺，聚吡咯，聚对苯二甲酸乙二醇酯PET聚合物材料其中一种。
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2022
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| CN117782379B (zh) * | 2024-02-27 | 2024-05-14 | 太原理工大学 | 一种压电/热释电双功能柔性耐高温传感器 |
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