一種柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及壓電發(fā)電機(jī)，尤其是涉及一種柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]伴隨著工業(yè)的進(jìn)步和人口的膨脹，人類文明對(duì)能源的依賴越發(fā)嚴(yán)重，利用化石原料獲取能量的傳統(tǒng)途徑卻逐漸走向資源日趨枯竭、副產(chǎn)物毀滅生態(tài)的尷尬境地，為了實(shí)現(xiàn)人類社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)利用新型環(huán)保能源顯得迫在眉睫。除了之前常見的利用大規(guī)模器件收集太陽能、風(fēng)能、潮汐能等用于日常生產(chǎn)生活之外，目前，利用壓電、摩擦電收集小規(guī)模能量為微型可穿戴器件供能的發(fā)電機(jī)正受到越來越多的人的關(guān)注和期待。
[0003]壓電發(fā)電機(jī)以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，收集如人體運(yùn)動(dòng)、水流、自然風(fēng)等多種形式的機(jī)械能，并將之轉(zhuǎn)化為電能提供給微型功能器件，使其能夠自驅(qū)動(dòng)。2006年，美國(guó)佐治亞理工學(xué)院王中林教授研宄組首次成功制備出了壓電發(fā)電機(jī)，實(shí)現(xiàn)了利用氧化鋅納米線將機(jī)械能轉(zhuǎn)化成電會(huì)K (Wang, Z.L.；Song, J.H.Piezoelectric Nanogenerators Based on Zinc OxideNanowire Arrays.Science 2006, 312, 242-246.)。隨后，以壓電效應(yīng)為基礎(chǔ)，基于不同材料和結(jié)構(gòu)的各種壓電發(fā)電機(jī)相繼被研制出來。目前，壓電發(fā)電機(jī)的輸出功率足以驅(qū)動(dòng)商用發(fā)光二極管(LED)、小型液晶顯示屏(IXD)、甚至自供電無線數(shù)據(jù)傳送設(shè)備。
[0004]因此，從綠色環(huán)保、可持續(xù)角度出發(fā)，這種提供電能的壓電發(fā)電機(jī)，無論是在生物、醫(yī)學(xué)、人類健康，還是無線通信、傳感、軍事等方面都具有不可估量的價(jià)值。而且壓電發(fā)電機(jī)彌補(bǔ)了目前廣泛使用的功能器件外部電源攜帶不方便、需定期充電、經(jīng)常更換等缺點(diǎn)，受到了各國(guó)科學(xué)家的廣泛關(guān)注。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于針對(duì)現(xiàn)有功能器件的外部電源攜帶不方便、需定期充電、經(jīng)常更換等缺點(diǎn)，提供便于攜帶、可自供電能的一種柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)及其制備方法。
[0006]所述柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)設(shè)有下基底、第一電極、下導(dǎo)線、鈦酸鋇片狀晶、聚二甲基硅氧烷層、第二電極、上導(dǎo)線、上基底、膠帶，所述第一電極濺射于下基底上；所述鈦酸鋇片狀晶沉積于第一電極上；所述聚二甲基硅氧烷層旋涂于鈦酸鋇片狀晶上；所述第二電極濺射于上基底表面并將上基底導(dǎo)電一面附于聚二甲基硅氧烷層上；所述上導(dǎo)線和下導(dǎo)線用膠帶分別連接于第一電極和第二電極上，作為壓電發(fā)電機(jī)信號(hào)輸出端。
[0007]所述上基底和下基底均可采用聚對(duì)苯二甲酸乙二酯基底；所述第一電極和第二電極均可采用氧化銦錫電極；所述上導(dǎo)線和下導(dǎo)線均可采用銅線。
[0008]所述上基底的厚度可為0.1mm。
[0009]所述下基底的厚度可為0.5mm。
[0010]所述鈦酸鋇片狀晶為取向生長(zhǎng)的平板狀結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)寬均為10微米級(jí)、厚度為數(shù)百納米級(jí)；所述鈦酸鋇片狀晶的排列方式可為單層、有序或定向排列。
[0011]所述聚二甲基娃氧燒層的厚度可為30 μπι。
[0012]所述膠帶可采用聚酯酰胺膠帶；所述膠帶的厚度可為ΙΟΟμπι左右。
[0013]所述柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)的制備方法，包括以下步驟：
[0014]I)在下基底上濺射第一電極，用膠帶將導(dǎo)線連接于第一電極上并引出，作為壓電發(fā)電機(jī)的一信號(hào)輸出端；
[0015]2)在環(huán)己烷和蒸餾水的界面處制備一層鈦酸鋇片狀晶的單層膜，利用界面自組裝的方法將單層膜中鈦酸鋇片狀晶沉積在第一電極上；
[0016]3)將聚二甲基硅氧烷用正己烷稀釋，再通過勻膠機(jī)旋涂在鈦酸鋇片狀晶上；
[0017]4)在上基底上濺射第二電極，用膠帶將導(dǎo)線連接于第二電極上并引出，作為壓電發(fā)電機(jī)另一信號(hào)輸出端；
[0018]5)將上基底導(dǎo)電一面附于聚二甲基硅氧烷層上，再烘干固化，極化處理，即得柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)。
[0019]在步驟5)中，所述烘干固化的溫度可為80°C，烘干固化的時(shí)間可為24h ;所述極化處理的電壓可為500?800V。
[0020]本發(fā)明制得的柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)可彎曲成180°的圓弧。聚對(duì)苯二甲酸乙二酯基底耐有機(jī)溶劑、油和弱酸，在-10?100°C溫度范圍內(nèi)可長(zhǎng)期使用；該發(fā)電機(jī)具有很好的韌性，可多次彎曲而不變形；可根據(jù)實(shí)際需要制備不同形狀、大小的壓電發(fā)電機(jī)。由于可使用適宜的聚二甲基硅氧烷黏度、旋涂的厚度，因此既能確保封裝鈦酸鋇片狀晶，使其在外力彎曲壓電發(fā)電機(jī)時(shí)受到機(jī)械應(yīng)力而不移動(dòng)，也不會(huì)破壞鈦酸鋇片狀晶在氧化銦錫電極上的平鋪狀態(tài)，并保證厚度盡量薄，以免弱化電信號(hào)的輸出。
【附圖說明】
[0021]圖I為根據(jù)實(shí)施例I提供的方法所得到的柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)的示意圖。
[0022]圖2為根據(jù)實(shí)施例2提供的方法在環(huán)己烷和蒸餾水的界面處制備的一層鈦酸鋇片狀晶的單層膜。
[0023]圖3為柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)在一定壓力下的電流脈沖輸出。
[0024]圖4為柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)在一定壓力下的電壓脈沖輸出。
【具體實(shí)施方式】
[0025]以下實(shí)施例將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的說明。
[0026]實(shí)施例I
[0027]本實(shí)施例提供一種結(jié)構(gòu)如圖I所示的柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)的制備方法，包括：
[0028]I)在O. 5mm厚的柔性聚對(duì)苯二甲酸乙二醋下基底I上派射一層180nm厚的第一氧化銦錫電極2，用聚酯酰胺膠帶3將下導(dǎo)線4粘于第一氧化銦錫電極上，作為壓電發(fā)電機(jī)其一信號(hào)輸出端；
[0029]2)利用界面自組裝的方法在第一氧化銦錫電極上沉積一層鈦酸鋇片狀晶的薄膜5 ；
[0030]3)通過勻膠機(jī)在定向排列鈦酸鋇片狀晶上旋涂一定厚度的聚二甲基硅氧烷層6 ;
[0031]4)在0.1mm厚的柔性聚對(duì)苯二甲酸乙二酯上基底7上濺射第二氧化銦錫電極8，用聚酯酰胺膠帶3將上導(dǎo)線9連接于氧化銦錫電極上并引出，作為壓電發(fā)電機(jī)另一信號(hào)輸出立而;
[0032]5)將柔性聚對(duì)苯二甲酸乙二酯上基底導(dǎo)電一面附于聚二甲基硅氧烷層上；
[0033]6)將制備的柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)置于80°C烘箱中固化24h ;
[0034]7)將制備的柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)置于500?800V電壓下極化處理。
[0035]實(shí)施例2
[0036]本實(shí)施例提供一種結(jié)構(gòu)如圖2所示的鈦酸鋇片狀晶單層膜的制備方法，包括:
[0037]I)取250mL的燒杯10，裝入150mL蒸餾水11 ；
[0038]2)再向燒杯中加入50mL環(huán)己烷12 ；
[0039]3)向燒杯中加入少量鈦酸鋇片狀晶，用玻璃棒輕輕攪拌至界面處形成一次鈦酸鋇片狀晶的單層膜5。
[0040]該柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)在一定外力彎曲時(shí)的電流脈沖輸出參見圖3，該柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)在一定外力彎曲時(shí)的電壓脈沖輸出參見圖4。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于設(shè)有下基底、第一電極、下導(dǎo)線、鈦酸鋇片狀晶、聚二甲基硅氧烷層、第二電極、上導(dǎo)線、上基底、膠帶，所述第一電極濺射于下基底上；所述鈦酸鋇片狀晶沉積于第一電極上；所述聚二甲基硅氧烷層旋涂于鈦酸鋇片狀晶上；所述第二電極濺射于上基底表面并將上基底導(dǎo)電一面附于聚二甲基硅氧烷層上；所述上導(dǎo)線和下導(dǎo)線用膠帶分別連接于第一電極和第二電極上，作為壓電發(fā)電機(jī)信號(hào)輸出端。
2.如權(quán)利要求1所述一種柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于所述上基底和下基底均采用聚對(duì)苯二甲酸乙二酯基底。
3.如權(quán)利要求1所述一種柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于所述第一電極和第二電極均采用氧化銦錫電極。
4.如權(quán)利要求1所述一種柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于所述上基底的厚度為 0.1mnin
5.如權(quán)利要求1所述一種柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于所述下基底的厚度為 0.5mmο
6.如權(quán)利要求1所述一種柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于所述鈦酸鋇片狀晶為取向生長(zhǎng)的平板狀結(jié)構(gòu)，長(zhǎng)寬均為10微米級(jí)、厚度為數(shù)百納米級(jí)；所述鈦酸鋇片狀晶的排列方式可為單層、有序或定向排列。
7.如權(quán)利要求1所述一種柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于所述聚二甲基硅氧烷層的厚度為30 μ m。
8.如權(quán)利要求1所述一種柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)，其特征在于所述膠帶采用聚酯酰胺膠帶；所述膠帶的厚度為100 μ m。
9.如權(quán)利要求1所述一種柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)的制備方法，其特征在于包括以下步驟: 1)在下基底上濺射第一電極，用膠帶將導(dǎo)線連接于第一電極上并引出，作為壓電發(fā)電機(jī)的一信號(hào)輸出端； 2)在環(huán)己烷和蒸餾水的界面處制備一層鈦酸鋇片狀晶的單層膜，利用界面自組裝的方法將單層膜中鈦酸鋇片狀晶沉積在第一電極上； 3)將聚二甲基硅氧烷用正己烷稀釋，再通過勻膠機(jī)旋涂在鈦酸鋇片狀晶上； 4)在上基底上濺射第二電極，用膠帶將導(dǎo)線連接于第二電極上并引出，作為壓電發(fā)電機(jī)另一信號(hào)輸出端； 5)將上基底導(dǎo)電一面附于聚二甲基硅氧烷層上，再烘干固化，極化處理，即得柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)。
10.如權(quán)利要求9所述一種柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)的制備方法，其特征在于在步驟5)中，所述烘干固化的溫度為80°C，烘干固化的時(shí)間為24h ;所述極化處理的電壓可為.500 ?800V。
【專利摘要】一種柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)及其制備方法，涉及壓電發(fā)電機(jī)。壓電發(fā)電機(jī)設(shè)有上下基底、第一二電極、上下導(dǎo)線、鈦酸鋇片狀晶、聚二甲基硅氧烷層、膠帶，第一電極濺射于下基底上；鈦酸鋇片狀晶沉積于第一電極上；聚二甲基硅氧烷層旋涂于鈦酸鋇片狀晶上；第二電極濺射于上基底表面并將上基底導(dǎo)電一面附于聚二甲基硅氧烷層上。制備：在下基底上濺射第一電極；在環(huán)己烷和蒸餾水的界面處制備一層鈦酸鋇片狀晶的單層膜，將單層膜中鈦酸鋇片狀晶沉積在第一電極上；將聚二甲基硅氧烷用正己烷稀釋，旋涂在鈦酸鋇片狀晶上；在上基底上濺射第二電極；將上基底導(dǎo)電一面附于聚二甲基硅氧烷層上，烘干固化，極化處理，即得柔性無鉛鈦酸鋇壓電發(fā)電機(jī)。
【IPC分類】H01L41-053, H01L41-113, H02N2-18
【公開號(hào)】CN104734563
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510152416
【發(fā)明人】薛昊, 高濤, 邱英強(qiáng), 廖建軍, 王建樹, 熊兆賢
【申請(qǐng)人】廈門大學(xué)
【公開日】2015年6月24日
【申請(qǐng)日】2015年4月2日