CN117700907B - 基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜和能量回收地砖装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜和能量回收地砖装置，该基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜的β相含量≥70%，压电应变常数d31≥30pC/N。本发明的基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜中聚偏二氟乙烯基材含有较高的β相含量和取向较为一致的偶极矩网络，从而具有较高的压电应变常数，当压电薄膜产生弹性变形时，可以将变形产生的机械能转变成更多的电能。

Description

基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜和能量回收地砖装置

技术领域

本发明涉及压电材料领域，特别涉及一种基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜，同时本发明还涉及一种采用上述基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜的能量回收地砖装置。

背景技术

能源危机是全球最大的挑战之一，替代常规能源的可再生清洁能源已成为科技发展热点。随着全球人口的增加和基础设施的完善，人类步伐的动能可作为大量可自由获取的机械振动能量的来源。基于法拉第原理的电磁技术和基于居里原理的压电技术都可将环境机械振动转化为电能。前者转换效率高，但是依赖旋转部件，机械结构复杂，高磨损导致使用寿命存疑；而后者结构相对简单，服役期间无需维护。

压电地砖类产品旨在利用压电效应回收脚步的动能，同时对人活动的干扰最小。能量回收地砖系统的关键组件是压电材料，目前普遍采用的压电材料大多属于铁电陶瓷，如最广泛使用的锆钛酸铅（PZT）压电陶瓷材料。然而高含铅量对周围环境有潜在危害，并且陶瓷的高脆、高硬、易碎特性在机械负荷很大时会出现疲劳直至失效的现象，耐久性受到限制。

发明内容

本发明提出了一种基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜和能量回收地砖装置，以提升弹性变形时机械能转变成电能的效率。

一种基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜，该基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜中聚偏二氟乙烯基材的β相含量≥70%，压电应变常数d ₃₁≥30pC/N。

进一步的，所述基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜中聚偏二氟乙烯基材采用机械拉伸和强电场极化工艺制备。

进一步的，所述机械拉伸和所述强电场极化同时进行。

进一步的，所述机械拉伸温度为60–90℃，拉伸倍数为3–4.5；所述强电场极化的电场强度为140–160MV/m，极化时间为30–45min。

进一步的，所述基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜表面覆盖有导电电极。

进一步的，所述导电电极通过丝网印刷工艺覆盖于压电薄膜表面。

本发明还提出了一种能量回收地砖装置，所述能量回收地砖装置包括上壳体和下壳体，所述上壳体受到弹性支撑悬置于所述下壳体上方，当固定于所述下壳体的杠杆的动力臂受到来自所述上壳体的压力时，与杠杆的阻力臂相连的上述的基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜被拉伸而产生电势能；所述基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜与储能设备或用电器电连接。

进一步的，所述动力臂的长度小于阻力臂。

本发明的基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜中聚偏二氟乙烯基材含有较高的β相含量和取向较为一致的偶极矩网络，从而具有较高的压电应变常数，当压电薄膜产生弹性变形时，可以将变形产生的机械能转变成更多的电能。

基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜中聚偏二氟乙烯基材采用机械拉伸工艺，拉伸所施加的应力诱导β相分子链的纤维状结构生成，有助于将非极性的α相转变为极性的β相晶体，强电场极化工艺利于晶体内部的偶极矩在强电场作用下沿电场方向使β相晶体发生取向重排，提升压电薄膜的压电性能。

同时进行机械拉伸和强电场极化工艺，更有利于提高压电应变常数。由于分子偶极子在所加电场方向上的铁电畴旋转和阶跃旋转，同时进行拉伸和极化可以增强聚偏二氟乙烯压电薄膜的压电性。

但是强电场极化的过程中拉伸对分子电偶极矩产生影响，薄膜被击穿的风险增大，同时强电场下高拉伸倍数可能使薄膜的韧性和塑性降低，因此需要较严格和精确地控制机械拉伸的倍数和电场强度的参数。为了兼顾压电性能和机械性能的平衡，所以本发明的拉伸倍数为3–4.5，电场强度为140–160MV/m。

本发明进一步提出的能量回收地砖装置，采用杠杆机构放大压电薄膜的应变，从而提高输出功率。

附图说明

构成本发明的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明的基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜的结构图；

图2为本发明的能量回收地砖装置自然状态下的主视剖视图；

图3为本发明的能量回收地砖装置的上壳体被踩踏时的主视剖视图。

附图标记说明：

1、基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜；101、聚偏二氟乙烯基材；102、导电电极；103、聚对苯二甲酸乙二醇酯；

2、上壳体；3、下壳体；4、弹性支撑件；5、杠杆；6、传压杆。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下述实施例中的实验方法，如无特殊说明，均为常规方法。下述实施例中所用的试验材料，如无特殊说明，均为自常规生化试剂商店购买得到的。另外，除本实施例特别说明之外，本实施例中所涉及的各术语及工艺依照现有技术中的一般认知及常规方法进行理解即可。

一种基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜1，该基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜1中聚偏二氟乙烯基材101的β相含量≥70%，压电应变常数d ₃₁≥30pC/N。

聚偏二氟乙烯（PVDF）压电薄膜作为一种优秀的聚合物压电材料具有轻质、柔韧、耐用的优势，可以根据应用需求几乎可以加工成无限的形状和尺寸，而且不含铅（符合RoHS标准）。本发明的基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜1中聚偏二氟乙烯基材101含有较高的β相含量和取向较为一致的偶极矩网络，从而具有较高的压电应变常数，当压电薄膜产生弹性变形时，可以将变形产生的机械能转变成更多的电能。

优选的，本发明的基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜1中的聚偏二氟乙烯基材101采用机械拉伸和强电场极化工艺制备。机械拉伸工艺可以将非极性的α相转变为极性的β相晶体，通过强电场极化工艺使β相晶体发生取向重排，提升压电薄膜的压电性能。机械拉伸所施加的应力诱导β相分子链的纤维状结构生成，既可以作为一种制膜方法直接制备出β相PVDF膜，又可以作为后处理工艺，有效促进其他相向β相转变。本实例采用的拉伸温度宜为60–90℃，有利于实现高β相含量和高结晶度。β相含量一般随着拉伸倍数的增加而增加，可是过高的拉伸倍数可能会导致薄膜材料出现微裂纹或缺陷。所以优选的拉伸倍数为3–4.5。

强电场极化工艺是对膜施加外部电场，一方面也可以促进α到β晶型的相变，更重要的是能够使晶体内部的偶极矩在强电场作用下沿电场方向发生取向重排，从极化前接近随机无序的分布优化为取向一致的偶极矩网络，从而大大提高聚合物材料的压电性。足够的电场强度和极化时间有助于完成偶极矩的取向重排，但是过高的电场强度或过长的极化时间可能导致材料结构缺陷甚至电击穿和失效。本实例优选的电场强度为140–160MV/m，优选的极化时间为30–45min。

上述机械拉伸和强电场极化处理可以先后分步进行，更优选的是同时进行，同时施加机械拉伸和强电场极化处理可以更有利于提高压电应变常数。由于分子偶极子在所加电场方向上的铁电畴旋转和阶跃旋转，同时进行拉伸和极化可以增强PVDF压电薄膜的压电性。但是强电场极化的过程中拉伸对分子电偶极矩产生影响，薄膜被击穿的风险增大，而且强电场下高拉伸倍数可能使薄膜的韧性和塑性降低，因此为了兼顾压电性能和机械性能的平衡，控制机械拉伸的倍数和电场强度的参数则需比较严格和精确，所以本发明的拉伸倍数宜为3–4.5，电场强度为140–160MV/m。

进一步的，如图1所示，在基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜1表面覆盖有导电电极102，优选的，导电电极102通过丝网印刷工艺覆盖于压电薄膜表面。具体的，压电薄膜机械拉伸和极化处理完毕后，在薄膜上下表面丝网印刷碳或银电极，外表面还可用聚对苯二甲酸乙二醇酯103（PET）层压封装保护，由于其机械坚固性和高输出电压（>100V）而成为用于能量收集的良好压电器件。

本发明还提出了一种能量回收地砖装置，所述能量回收地砖装置包括上壳体2和下壳体3，所述上壳体2受到弹性支撑悬置于所述下壳体3上方，当固定于所述下壳体3的杠杆5的动力臂受到来自所述上壳体2的压力时，与杠杆5的阻力臂相连的上述压电薄膜被拉伸而产生电势能；所述基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜1与储能设备或用电器电连接。

基于以上设计路线，本发明的能量回收地砖装置具体可采用如图2和图3所示的结构。如图2所示，自然状态下地砖上壳体2受到弹性支撑件4向上的承托力而悬置于所述下壳体3上方，上述弹性支撑件4可以采用弹簧、橡胶或其他可以产生弹性变形且能支撑上壳体2重量的弹性元件。下壳体3上设置有杠杆5，当地砖上壳体2被踩踏而向下产生位移时，如图3所示，杠杆5的动力臂端可以受到上壳体2的压力而向下转动，具体可以采用连接于上壳体2和动力臂的传压杆6来传递压力。压电薄膜一端连接杠杆5的阻力臂，另一端固定于地砖下壳体3。当动力臂向下旋转，而撬动阻力臂向上抬起时，压电薄膜随之被拉长，被拉长的压电薄膜两端而产生电势能。压电薄膜与储能设备或用电器电连接，将产生的电势能储存或消耗于用电器。当地砖上壳体2的踩踏压力解除时，弹性支撑将地砖上壳体2上顶至原位，杠杆5回自然状态，压电薄膜随之呈松弛状态，而不具有偏离的电偶极矩。

当压电薄膜被拉伸时，产生的电势能可以通过使用整流器对多个电容器串联充电，并联放电，将来自压电薄膜的0至+/-500V DC/AC输入电能转换为3-5V DC输出。也可以采用桥式整流器，将电能储存在超级电容器或可充电电池中，可用于为个人电子产品或无线传感器充电。上述对压电薄膜产生电能的后续利用方法可采用现有技术通用的方法即可，本发明不做具体介绍。

本发明的能量回收地砖装置优选的动力臂的长度小于阻力臂，通过杠杆5将地砖上壳体2受到踩踏压力产生的位移进行放大，而使压电薄膜具有更大的拉伸形变。相比于压电薄膜，压电陶瓷通常只能承受0.1%的应变，而高度柔韧且易于变形的基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜1可产生更大应变，比PZT压电陶瓷产生更多的能量。因此本发明的能量回收地砖装置可以实现更大的弹性应变，回收更多的能量。

通过对PVDF材料压电性能的改进、地砖踩踏位移量的机械放大、以及电源管理与存储电路部分的优化三个方面协同作用，实现基于聚偏二氟乙烯压电薄膜的压电能量回收，可高效地把来自人脚步的动能转化为可以被利用的电能。发明具有广泛的市场应用潜力，如人流量监控等各种传感器、照明等。该系统的另一个优势在于属清洁能源，不排放二氧化碳或其他温室气体等有害副产品。

下面对本发明的具体实现方案做详细的描述。

实施例1

能量回收地砖装置系统的主要构成组件包括：聚偏二氟乙烯压电薄膜、电源管理与存储或输出电路、杠杆机构、弹簧、地砖壳体。其中聚偏二氟乙烯薄膜厚度为120μm，首先依次用乙醇和去离子水清洗并烘干，然后同时进行机械拉伸和强电场极化处理。在两个带有接地电极底座的电动工作台上，通过夹具固定好PVDF薄膜后，加热温度至80℃并在拉伸和极化期间保持恒定。控制步进电机使2个工作台彼此远离将膜从两端拉伸。夹具之间的原始样品长度为10 cm，拉伸倍数设置为4（亦即拉伸至40cm长度）。放置在PVDF膜片上方的针尖电极施加高电压低电流的电晕放电，产生穿过薄膜到位于下方底座的接地电极的极化电场，控制电场强度150MV/m，极化时间30min。

压电薄膜的上下表面丝网印刷碳电极，形成三明治结构，电极外层再用PET层压封装保护。地砖内部通过杠杆机构放大地砖被踩踏后压电薄膜的拉伸形变；电源管理与存储电路使用桥式整流器对超级电容器充电；钢制弹簧用于复位地砖上盖踩踏后的位移；地砖上下外壳采用金属制成。

实施例2

本实施例的地砖装置系统的构成组件和制备方法与实施例1基本相同，不同的是，本实施例对聚偏二氟乙烯薄膜先进行机械拉伸，后进行电场极化处理。具体工艺参数如下：温度60℃，拉伸倍数3，电场强度140MV/m，极化时间30min。

实施例3

本实施例的地砖装置系统的构成组件和制备方法与实施例1基本相同，不同的是，具体工艺参数如下：温度60℃，拉伸倍数4.5，电场强度160MV/m，极化时间30min。

实施例4

本实施例的能量回收地砖装置系统的主要构成组件与实施例1相同。制备方法是对聚偏二氟乙烯薄膜先进行机械拉伸，后进行电场极化处理。

首先依次用乙醇和去离子水清洗并烘干，进行机械拉伸处理。在工作台上，通过夹具固定好PVDF薄膜后，将薄膜加热至80℃，控制步进电机使2个工作台彼此远离将膜从两端拉伸。夹具之间的原始样品长度为10 cm，拉伸倍数设置为4（亦即拉伸至40cm长度）。

然后撤销施加于薄膜两端得拉伸力，进行强电场极化处理，并在极化期间保持温度恒定。强电场极化时，对放置在PVDF膜片上方的针尖电极施加高电压低电流的电晕放电，产生穿过薄膜到位于下方底座的接地电极的极化电场，控制电场强度150MV/m，极化时间30min。

实施例5

本实施例的地砖装置系统的构成组件和制备方法与实施例1基本相同，不同的是，具体工艺参数如下：温度90℃，拉伸倍数4，电场强度160MV/m，极化时间45min。

对比例1

本对比例的地砖装置系统的构成组件和制备方法与实施例1基本相同，不同的是，本对比例对聚偏二氟乙烯薄膜仅极化处理，无机械拉伸步骤。具体工艺参数如下：温度80℃，电场强度150MV/m，极化时间30min。

对比例2

本对比例的地砖装置系统的构成组件和制备方法与实施例1基本相同，不同的是，本对比例对聚偏二氟乙烯薄膜进行机械拉伸和强电场极化处理的具体工艺参数如下：温度100℃，拉伸倍数5，电场强度170MV/m，极化时间60min。

对上述各实施例和对比例的聚偏二氟乙烯薄膜进行压电性测试，测试数据如表1所示。

表1 不同实施例和对比例聚偏二氟乙烯薄膜的压电性测试结果

以上测试结果表明，本发明的基于聚偏二氟乙烯压电薄膜的能量回收地砖系统通过压电薄膜的机械拉伸和强电场极化加工及优选工艺参数，实现了高β相含量（≥70%），和高压电应变常数（d ₃₁≥30pC/N）。

以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明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的保护范围。

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，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。

Claims (7)

1.一种能量回收地砖装置，其特征在于：所述能量回收地砖装置包括上壳体和下壳体，所述上壳体受到弹性支撑悬置于所述下壳体上方，所述下壳体上设置有杠杆，当地砖所述上壳体被踩踏而向下产生位移时，所述杠杆的动力臂端受到所述上壳体的压力而向下转动，采用连接于所述上壳体和动力臂的传压杆来传递压力，压电薄膜一端连接所述杠杆的阻力臂，另一端固定于地砖所述下壳体，当固定于所述下壳体的所述杠杆的动力臂受到来自所述上壳体的压力时，与所述杠杆的阻力臂相连的基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜被拉伸而产生电势能；所述基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜与储能设备或用电器电连接；所述基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜中聚偏二氟乙烯基材的β相含量≥70%，压电应变常数d31≥30pC/N。

2.根据权利要求1所述的能量回收地砖装置，其特征在于：所述基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜中聚偏二氟乙烯基材采用机械拉伸和强电场极化工艺制备。

3.根据权利要求2所述的能量回收地砖装置，其特征在于：所述机械拉伸和所述强电场极化同时进行。

4.根据权利要求2所述的能量回收地砖装置，其特征在于：所述机械拉伸温度为60–90℃，拉伸倍数为3–4.5；所述强电场极化的电场强度为140–160MV/m，极化时间为30–45min。

5.根据权利要求1所述的能量回收地砖装置，其特征在于：所述基于聚偏二氟乙烯的压电薄膜表面覆盖有导电电极。

6.根据权利要求5所述的能量回收地砖装置，其特征在于：所述导电电极通过丝网印刷工艺覆盖于压电薄膜表面。

7.根据权利要求1所述的能量回收地砖装置，其特征在于：所述动力臂的长度小于阻力臂。