一种完全可卷曲的压电纳米复合发电器的制备方法技术

一种完全可卷曲的压电纳米复合发电器的制备方法，利用聚偏二氟乙烯作为基体，组成调制的铌酸钾钠压电纳米颗粒作为分散体制备纳米复合发电器薄膜，并集成一种新型的柔性电极实现纳米发电器的完全可卷曲性，电极的表面电阻随卷曲次数的变化较小，经过200次卷曲循环后，开路电压仍可保持稳定。上述结果说明PVDF‑(NKNS‑LT‑BZ)纳米复合发电器可以很好地适用于自驱动可卷曲电子器件中，比如：管状的运动传感器，可穿戴的电子皮肤，完全可卷曲的移动电子，汽车轮胎内的发电系统等。

A preparation method of a fully curable piezoelectric nano composite generator

A completely flexible piezoelectric nano composite generator preparation method, using polyvinylidene fluoride two as matrix composition, modulation of potassium sodium niobate piezoelectric nano particles as dispersed nano composite thin film electrical system, and the integration of a new flexible electrode can achieve nano generator curl, electrode the surface resistance changes with smaller crimp number, after 200 times of crimping cycle, the open circuit voltage can be stabilized. The results show that the PVDF (NKNS LT BZ) nano composite generator can be well suited for self driven flexible electronic devices, such as: the motion sensor electronic skin tubular, wearable, mobile electronic can curl, the tires of the car power system etc..

【技术实现步骤摘要】
一种完全可卷曲的压电纳米复合发电器的制备方法
本专利技术属于纳米材料与器件的制备
，特别涉及一种完全可卷曲的压电纳米复合发电器的制备方法。
技术介绍
将机械能转化为电能可以有效地缓解全球能源危机并且解决相伴的环境问题，从而具有重要的战略意义。在过去十年，柔性压电纳米发电器作为自驱动电子系统和实时活性传感器被广泛地研究，它可以有效地从机械变形、振动、流体运动、声波、甚至是身体或器官运动中收集转化机械能。到目前为止，基于氧化锌纳米线、氮化镓纳米棒、二硫化钼纳米片、传统压电陶瓷晶体、有机-无机铅卤化物和聚偏二氟乙烯的各种结构的压电纳米发电器被相继报道。尤其是，由聚二甲基硅氧烷和纳米尺寸的压电体构成的压电纳米复合发电器作为一种新型的范例被提出，它具有更好的机械柔性和更高的电学输出。另外，这种类型的纳米发电器制备过程简单、成本较低、易于规模化。β相聚偏二氟乙烯及其共聚物具有较优的压电性能、适当的机械强度和柔性，因此成为了最受人关注的有机压电材料。尽管研究人员基于聚偏二氟乙烯设计了一系列不同结构的压电纳米发电器，但还是很少用它作为基体制备纳米复合发电器。另一方面，考虑到纳米复合发电器产生的压电电势主要取决于其中的无机组成部分，具有高压电活性的无机压电材料应受到特殊关注。铌酸钾钠体系作为一种生物相容的无铅压电陶瓷材料因其杰出的压电和机电特性被大量研究。其中，位于多晶型相界处的组成具有相当高的压电常数，很接近一些铅基压电陶瓷材料，因而使它们很适合用于纳米复合发电器。
技术实现思路
本专利技术要解决的技术问题是：利用聚偏二氟乙烯作为基体，组成调制的铌酸钾钠压电纳米颗粒作为分散体制备纳米复合发电器薄膜，并集成一种新型的柔性电极实现纳米发电器的完全可卷曲性。本专利技术采用如下技术方案：完全可卷曲的压电纳米复合发电器的制备方法，其包括如下步骤：步骤S1（0.915(Na0.5K0.5)(Nb0.94Sb0.06)O3-0.045LiTaO3-0.04BaZrO3（NKNS-LT-BZ）的制备）：易吸湿的的碳酸钠和碳酸钾粉末首先在150oC完全干燥，按照化学计量比称量碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂、碳酸钡、五氧化二铌、五氧化二锑、五氧化二钽和二氧化锆，混合后以酒精为介质球磨12h，得到的浆料在80oC干燥12h后研磨均匀，置于850oC煅烧5h得到NKNS-LT-BZ钙钛矿压电晶体，再对粉体进行二次球磨24h得到粒径均匀的结晶纳米颗粒；步骤S2（PVDF-(NKNS-LT-BZ)纳米复合薄膜的制备）：将钙钛矿压电纳米粉末NKNS-LT-BZ按照一定的质量比分散在10ml溶剂N,N-二甲基甲酰胺中，进行室温搅拌和超声1h，然后在悬浮液中加入PVDF（10wt%）粉末，加热至65oC激烈搅拌3h后超声分散1h，将均匀混合的浆料倒入表面皿中置于75oC烘干溶剂，得到的薄膜在真空中120oC退火3h；步骤S3（尼龙纤维基银纳米线电极的制备及PVDF-(NKNS-LT-BZ)纳米复合发电器的集成）：将PA6粉末颗粒溶于甲酸中（15wt%）配制前驱体溶液，通过静电纺丝的方法制备得到尼龙纤维薄膜，在其表面真空抽滤银纳米线得到薄膜电极，之后通过在PVDF-(NKNS-LT-BZ)纳米复合薄膜表面旋涂PDMS粘附层集成上薄膜电极，将得到的纳米复合发电器样品置于80oC固化1h后用PET薄膜进行真空封装，最后在20kV/mm下室温极化1h。附图说明图1.尼龙纤维基银纳米线电极的扫描电子显微镜俯视图；图2.退火后的PVDF-(NKNS-LT-BZ)基纳米复合薄膜的扫描电子显微镜下的局部放大照片；图3.NKNS-LT-BZ纳米颗粒具有铁电四方相和菱方相共存的相结构图；图4.制备的纳米复合薄膜及集成好的柔性纳米复合发电器样品的光学图片。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的技术方案作进一步的说明，但并不局限如此，凡是对本专利技术技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本专利技术技术方案的精神和范围，均应涵盖在本专利技术的保护范围中。结果说明：采用D/Max2500VRigaku型X-射线衍射仪(XRD)、LabRamHR-800型拉曼光谱仪(Raman)、Nicolet67型远红外光谱仪(FT-IR)对所得样品进行相结构表征，采用SU8020型扫描电子显微镜(SEM)对所得样品进行显微结构观察，采用MFP-3D-SA-DV,AsylumResearch型压电力显微镜(PFM)研究NKNS-LT-BZ纳米颗粒的压电和铁电性能，采用RTS-9型四探针电阻测试系统测量柔性电极的表面电阻，采用Keithley6514SystemElectrometerandStanfordResearchSR570型测试系统测量集成的纳米复合发电器的电学性能。通过样品光学照片图4，可以看到本专利技术采用的制备方法可以实现PVDF-(NKNS-LT-BZ)纳米复合薄膜的规模化制备，并且集成了尼龙纤维基银纳米线电极后所得的纳米复合发电器具有非常好的机械柔性和稳定性。物相结构表征结果图3显示所制备的NKNS-LT-BZ纳米颗粒具有铁电四方相和菱方相共存的相结构。扫描电子显微镜照片显示尺寸均一的NKNS-LT-BZ纳米颗粒可以均匀地分散在PVDF基体中，针状条纹形貌也反映出PVDF基体为具有压电活性的β相。另外，从图1、2中可以看到，银纳米线均匀地分布在尼龙纤维网络载体上，保证了电极具有非常好的导电性和机械柔性。集成的纳米复合发电器厚度大约为80μm，电极与复合薄膜上下表面的贴合十分紧密。压电力显微镜的测试结果表明，NKNS-LT-BZ纳米颗粒具有非常好的压电和铁电性能，蝴蝶状的振幅曲线和类矩形状的相位回线反映出其较小的矫顽场，通过不同交流压电信号下的振幅压电响应测试，得到其压电常数为53pm/V，高于铌酸钠纳米线（4pm/V），钛酸铋钠纳米纤维（18pm/V），溴铅甲醚（25pm/V）和钛酸钡（28pm/V）纳米颗粒。这些结果表明本专利技术所制备的NKNS-LT-BZ纳米颗粒十分适用于压电能量转换。电学性能测试结果表明，PVDF-(NKNS-LT-BZ)纳米复合发电器的电学输出信号对NKNS-LT-BZ纳米颗粒的含量依赖性较强。当NKNS-LT-BZ纳米颗粒含量为30%时，在垂直压力50N的条件下，本专利技术所制备的纳米复合发电器可输出开路电压为18V，短路电流密度为0.65μA/cm2。极化翻转测试结果表明，该纳米复合发电器电学信号的产生来源于压电效应。另外，由于电极与发电层的机械柔性和稳定性，本专利技术所制备的纳米复合发电器具有完全可卷曲性，电极的表面电阻随卷曲次数的变化较小，经过200次卷曲循环后，开路电压仍可保持稳定。上述结果说明PVDF-(NKNS-LT-BZ)纳米复合发电器可以很好地适用于自驱动可卷曲电子器件中，比如：管状的运动传感器，可穿戴的电子皮肤，完全可卷曲的移动电子，汽车轮胎内的发电系统等。本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种完全可卷曲的压电纳米复合发电器的制备方法，包括以下步骤：步骤S1（0.915(Na0.5K0.5)(Nb0.94Sb0.06)O3‑ 0.045LiTaO3‑0.04BaZrO3 （NKNS‑LT‑BZ）的制备）：易吸湿的的碳酸钠和碳酸钾粉末首先在150

【技术特征摘要】
1.一种完全可卷曲的压电纳米复合发电器的制备方法，包括以下步骤：步骤S1（0.915(Na0.5K0.5)(Nb0.94Sb0.06)O3-0.045LiTaO3-0.04BaZrO3（NKNS-LT-BZ）的制备）：易吸湿的的碳酸钠和碳酸钾粉末首先在150oC完全干燥，按照化学计量比称量碳酸钠、碳酸钾、碳酸锂、碳酸钡、五氧化二铌、五氧化二锑、五氧化二钽和二氧化锆，混合后以酒精为介质球磨12h，得到的浆料在80oC干燥12h后研磨均匀，置于850oC煅烧5h得到NKNS-LT-BZ钙钛矿压电晶体，再对粉体进行二次球磨24h得到粒径均匀的结晶纳米颗粒；步骤S2（PVDF-(NKNS-LT-BZ)纳米复合薄膜的制备）：将钙钛矿压电纳米粉末NKNS-LT-BZ按照一定的质量比分散在10ml溶剂N,N-二甲基甲酰胺中，进行室温搅拌和超声1h，然后在悬浮液中加入PVDF（10wt%）粉末，加热至65oC激烈搅拌3h后超声分散1h，将均匀混合的浆料倒入表面皿中置于75oC烘干溶剂，得到的薄膜在真空中120oC退火3h；步骤S3（尼龙纤维基银纳米线电极的制备及PVDF-(NKNS-LT-BZ)纳米复合...

【专利技术属性】
技术研发人员：张红，王子韩，
申请(专利权)人：王干，
类型：发明
国别省市：安徽,34