一种高机电超声耦合系数的核壳结构纳米颗粒、其制备方法及其应用技术

本发明专利技术涉及压电材料领域，为解决现有现有技术下单一钛酸钡压电纳米材料，对超声波和微力响应不稳定，界面耦合较差，导致其超声响应性差并且使用范围受限的问题，公开了一种高机电超声耦合系数的核壳结构纳米颗粒，所述核壳结构纳米颗粒的内核为钡基纳米颗粒，外壳为PVDF基聚合物。该材料可以有效提高压电材料体系的机电耦合系数与机电转化率，进一步提高体系的响应性，尤其是在超声作用下可产生较大的功率密度，在无源神经刺激、心肌修复和人机交互系统等方面有广泛的应用前景。互系统等方面有广泛的应用前景。互系统等方面有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种高机电超声耦合系数的核壳结构纳米颗粒、其制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及压电材料领域，尤其涉及一种高机电超声耦合系数的核壳结构纳米颗粒、其制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]近年来，人们在医疗检测，人机交互等领域投入了广泛的关注，例如医用可植入设备，自供电装置，可穿戴电子设备等。而通过摩擦电和压电效应将耗散的机械能转化为电能，是一种非常有前途的方法来实现自供电装置，以最大限度地减少我们社会的整体能源需求。柔性纳米压电发电机有望作为自供电的无源传感器件，它克服了能量对传感器的限制，缩小了传感、计算、存储和通信所需的能量之间的差距；并且去除了多余的辅助电源部件，使传感器在简便化、微型化和智能化的发展方向上前进了一大步。由于其高效的机能转换效率、易于实现自供电特性，允许在无源能量转换、电刺激疗法以及人体生物力学能量收集等领域进行大量创新的医疗保健应用。超声波(US)是一种频率超过20kHz的声波，它可以在细胞和生物体液组成的组织和器官无创地传播。但是，单一钛酸钡基压电材料，对超声波和微力等相响应较差。
[0003]例如，在中国专利文献上公开的“锂
‑
铝离子对掺杂改性的钛酸钡基无铅压电陶瓷材料的制备方法”，其公告号为CN103979955A，所述的钛酸钡基陶瓷组成为Ba1‑
x
(Li
0.5
Al
0.5
)
x
Ti1‑
x
Si
x
O3，其中0.02≤x≤0.08mol。该专利技术提高了钛酸钡基压电材料的压电相应，但是仍无法在超声波的驱动下获得较强响应。

技术实现思路

[0004]本专利技术为了克服现有技术下单一钛酸钡压电纳米材料，对超声波和微力响应不稳定，界面耦合较差，导致其超声响应性差并且使用范围受限的问题，提供一种高机电超声耦合系数的核壳结构纳米颗粒，该颗粒可以有效提高体系的机电耦合系数与机电转化率，进一步提高体系的响应性。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用以下技术方案：一种高机电超声耦合系数的核壳结构纳米颗粒，所述核壳结构纳米颗粒的内核为钡基纳米颗粒，外壳为PVDF基聚合物。
[0006]本专利技术将生物兼容性较好的PVDF基聚合物修饰在钡基纳米颗粒的表面，通过界面耦合增强方法，提供一种高机电超声耦合系数的核壳结构压电复合材料，该材料超声响应性好。
[0007]作为优选，所述钡基纳米颗粒为BaTiO3或(Ba,Sr)TiO3。
[0008]作为优选，所述PVDF基聚合物为聚偏氟乙烯、聚(偏氟乙烯
‑
三氟乙烯)或聚(偏氟乙烯
‑
三氟乙烯
‑
三氟氯乙烯)。
[0009]作为优选，所述外壳厚度为3
‑
10nm。
[0010]一种高机电超声耦合系数的核壳结构纳米颗粒的制备方法，包括以下步骤：A、将钡基纳米颗粒分散于N,N
‑
二甲基甲酰胺中，再加入PVDF基聚合物溶解；B、用相分离法从步骤A所得溶液中得到核壳结构纳米颗粒。
[0011]本专利技术使用相分离法将PVDF基聚合物包覆在钡基纳米颗粒表面，路径简单且高效，易于产业化。
[0012]作为优选，所述步骤A中，钡基纳米颗粒、PVDF基聚合物和N,N
‑
二甲基甲酰胺的质量比为1：(0.2
‑
0.5)：(60
‑
70)。
[0013]作为优选，所述步骤A为先将钡基纳米颗粒加入N,N
‑
二甲基甲酰胺中超声3
‑
4h得到溶液1，再将PVDF基聚合物加入N,N
‑
二甲基甲酰胺中搅拌得到溶液2，将溶液1和溶液2混合搅拌20
‑
25h。
[0014]作为优选，所述步骤A中，将PVDF基聚合物在60℃下溶解至N,N
‑
二甲基甲酰胺中得到溶液2，溶液2中PVDF基聚合物和N,N
‑
二甲基甲酰胺的质量比为1：(13
‑
15)。
[0015]作为优选，所述步骤B中相分离法为，向步骤A所得溶液中缓慢滴加辛醇，然后在室温下搅拌20
‑
24h，随后加热至160
‑
170℃蒸发N,N
‑
二甲基甲酰胺，将蒸发后的溶液用乙醇洗涤后真空干燥即得核壳结构纳米颗粒。
[0016]PVDF基聚合物在辛醇中因溶解性差而析出，从而附着在钡基纳米颗粒表面上。N,N
‑
二甲基甲酰胺的沸点为153℃，辛醇的沸点为195℃，加热至160
‑
170℃可以将N,N
‑
二甲基甲酰胺蒸发而保留辛醇，最后用乙醇洗涤以去除残留的辛醇以及未附着在钡基纳米颗粒表面的残余PVDF基聚合物。
[0017]作为优选，所述步骤B中乙醇洗涤的方法为，加入乙醇后5000
‑
7000rpm离心5
‑
7min，重复3
‑
5次。
[0018]上述高机电耦合系数的核壳结构压电纳米颗粒在超声无源能量转换和收集、人机交互系统中的应用。
[0019]因此，本专利技术具有如下有益效果：可以有效提高压电材料体系的机电耦合系数与机电转化率，进一步提高体系的响应性，尤其是在超声作用下可产生较大的功率密度，在无源神经刺激、心肌修复和人机交互系统等方面有广泛的应用前景。
附图说明
[0020]图1是本专利技术高机电超声耦合系数核壳结构压电复合纳米颗粒的制备方法的流程图。
[0021]图2是BaTiO3@P(VDF
‑
TrFE
‑
CTFE)纳米颗粒的TEM图，其中A是实施例1制得的BaTiO3@3nm P(VDF
‑
TrFE
‑
CTFE)纳米颗粒，B是实施例2制得BaTiO3@4nm P(VDF
‑
TrFE
‑
CTFE)纳米颗粒。
[0022]图3是BaTiO3、实施例1制得的BaTiO3@3nm P(VDF
‑
TrFE
‑
CTFE)纳米颗粒和实施例2制得BaTiO3@4nm P(VDF
‑
TrFE
‑
CTFE)纳米颗粒红外吸收谱图。
[0023]图4是实施例1制得的BaTiO3@3nm P(VDF
‑
TrFE
‑
CTFE)纳米颗粒和实施例2制得BaTiO3@4nm P(VDF
‑
TrFE
‑
CTFE)纳米颗粒的XRD谱图。
[0024]图5是BaTiO3、实施例1制得的BaTiO3@3nm P(VDF
‑
TrFE
‑
CTFE)纳米颗粒和实施例2制得BaTiO3@4nm P(VDF
‑...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高机电超声耦合系数的核壳结构纳米颗粒，其特征是，所述核壳结构纳米颗粒的内核为钡基纳米颗粒，外壳为PVDF基聚合物。2.根据权利要求1所述的一种高机电超声耦合系数的核壳结构纳米颗粒的制备方法，其特征是，所述钡基纳米颗粒为BaTiO3或(Ba,Sr)TiO3。3.根据权利要求1所述的一种高机电超声耦合系数的核壳结构纳米颗粒的制备方法，其特征是，所述PVDF基聚合物为聚偏氟乙烯、聚（偏氟乙烯
‑
三氟乙烯）或聚（偏氟乙烯
‑
三氟乙烯
‑
三氟氯乙烯）。4.根据权利要求1或2或3所述的一种高机电超声耦合系数的核壳结构纳米颗粒的制备方法，其特征是，所述外壳厚度为3
‑
10nm。5.一种如权利要求1
‑
4任意一项所述的高机电超声耦合系数的核壳结构纳米颗粒的制备方法，其特征是，包括以下步骤：A、将钡基纳米颗粒分散于N,N
‑
二甲基甲酰胺中，再加入PVDF基聚合物溶解；B、用相分离法从步骤A所得溶液中得到核壳结构纳米颗粒。6.根据权利要求5所述的一种高机电超声耦合系数的核壳结构纳米颗粒的制备方法，其特征是，所述步骤A中，钡基纳米颗粒、PVDF基聚合物和N,N
‑
二甲基甲酰胺的质量比为1：（0.2
‑
0.5）：（60
‑
70）。7.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：陈迎鑫，薛宜琛，朱凝，张鉴，张雪峰，姚妮，
申请(专利权)人：之江实验室，
类型：发明
国别省市：