【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于压电材料，更具体的说是涉及一种基于柔性压电半导体纤维的纳米发电机及其制备方法。
技术介绍
1、采用机械能转换为电能的方式用于发电，将有效解决微小型电子器件中的自供电问题，促进更先进的可穿戴设备、人机交互、生物机械、传感器等装置的研发。近些年来，随着纳米发电机的提出与发展，使得收集和利用环境中无处不在的机械能成为可能。已见报道有压电纳米发电机、摩擦电纳米发电机、挠曲电纳米发电机以及复合型纳米发电机等类型。尽管目前已做出许多探究提升纳米发电机性能的方法，但现有技术中纳米发电机的功率密度仍然较低，且为交流输出需单独整流，导致机电转换效率更低，并影响集成化、柔性化设计。
2、针对上述问题，以压电半导体材料制备的纳米发电机表现出许多的优势。一方面，压电半导体是兼有半导体性质的压电材料，在利用压电效应将机械能转换为电能的同时，可与金属电极形成肖特基接触，达到纳米发电机的自整流要求。另一方面，其结构简便、易于组装，因而有利于集成化的设计。目前，常用的压电半导体材料有氧化锌(zno)、硫化镉(cds)、砷化镓(gaas)等。虽然这些无机压电半导体材料在直流纳米发电机中的应用表现出符合功能集成化发展趋势的要求，但是其质地刚硬，还未能满足可穿戴领域对能源柔性化的需求。即使研究者已经采用直接生长技术、生长转移技术以及纳米复合技术来改善无机压电材料的质脆和硬度大的问题，也难以解决工艺复杂、昂贵的基底转移工艺及宏量产的问题。
3、压电聚合物材料，如聚偏氟乙烯、聚酰胺、聚丙烯腈等具有良好的压电性能和柔顺性；导电聚合物材
4、然而，这一聚合物压电半导体材料与传统的无机压电半导体材料同样的具有压电电势屏蔽的问题需要解决，具体来讲是压电半导体材料产生的压电电势容易受到载流子屏蔽的影响，使纳米发电机的电学性能下降。因此，开发出一种高功率密度、直流输出、利于集成化和柔性化设计且受载流子屏蔽影响小的压电半导体纳米发电机将具有重要的现实意义。
技术实现思路
1、本专利技术的目的是提供一种基于柔性压电半导体纤维的纳米发电机及其制备方法，以解决上述现有技术存在的传统压电半导体纳米发电机缺乏柔性和压电电势易被载流子屏蔽的问题，通过在柔性压电半导体材料内引入p-n结减弱载流子的屏蔽，以提升纳米发电机的电学性能，并实现优良的自整流和电输出性能。
2、为实现上述目的，本专利技术提供了如下方案：
3、本专利技术技术方案之一：提供一种柔性压电半导体纤维，所述柔性压电半导体纤维为单层复合结构，以压电聚合物纳米纤维膜为基底层，以无机半导体为中间负载层，以聚合物半导体为最外层。
4、本专利技术所述柔性压电半导体纤维是单层复合结构，具体为一种柔性压电半导体复合材料，以压电聚合物纳米纤维膜和聚合物半导体复合而成，为进一步提高柔性压电半导体复合材料的效率，在中间插入无机半导体材料作为负载层，其中无机半导体材料为n型半导体，聚合物半导体材料为p型半导体，二者在界面形成p-n结减弱由于外电路自由电荷对压电电势的屏蔽，同时仍然保持了压电半导体复合材料柔性的特质。
5、优选的，所述基底层厚度为0.16-0.32mm；所述中间负载层厚度为0.03-0.05mm；所述最外层厚度为0.011-0.021mm。
6、优选的，所述压电聚合物纳米纤维膜中的压电聚合物包括但不限于聚偏氟乙烯(pvdf)、聚偏氟乙烯-三氟乙烯(pvdf-trfe)和聚丙烯腈(pan)中的任意一种或多种；所述无机半导体包括但不限于二氧化钛(tio2)，氧化锌(zno)和二氧化锡(sno2)中的任意一种或多种；所述聚合物半导体包括但不限于聚吡咯(ppy)、聚苯胺(pani)和聚噻吩(pth)中的任意一种或多种。
7、本专利技术技术方案之二：提供上述柔性压电半导体纤维的制备方法，包括以下步骤；
8、步骤1：以压电聚合物为原料制备的静电纺丝液通过静电纺丝制备压电聚合物纳米纤维膜；
9、步骤2：将所述压电聚合物纳米纤维膜浸润在无机半导体的前驱体溶液和引发剂的混合液中，进行水热合成，得到无机半导体负载的压电聚合物纳米纤维膜；
10、步骤3：将所述无机半导体负载的压电聚合物纳米纤维膜在氯化铁溶液中浸润，与聚合物半导体的单体同时放入真空环境中，进行气相聚合反应，得到所述柔性压电半导体纤维。
11、在压电聚合物纳米纤维膜制备过程中同步掺入无机半导体材料，会使得无机半导体材料被压电聚合物静电纤维包覆在内，导致其难以与本专利技术中外层聚合物半导体结合形成p-n结。基于此，本专利技术首先通过静电纺丝制备压电聚合物纳米纤维膜，然后通过水热合成反应在其表层负载无机半导体材料，再通过气相聚合反应进一步制备聚合物半导体层，以保证无机半导体材料和外层聚合物半导体的接触以及p-n结的形成。单独利用气相聚合法在织物上负载聚合物半导体，由于缺乏无机半导体的引入导致不能形成p-n结，从而不能实现减弱压电屏蔽的作用。
12、氯化铁溶液是满足本专利技术气相合成聚合物半导体的良好氧化剂，而其他氧化剂或者不能满足气相聚合条件，或者氧化聚合达不到理想效果，故本专利技术步骤3采用氯化铁作为无机半导体负载的压电聚合物纳米纤维膜的浸润溶液。
13、优选的，步骤1中，所述静电纺丝液通过以下方法制备得到：
14、将压电聚合物溶解于溶剂搅拌得到静电纺丝液，或者，将压电聚合物加热成聚合物熔体得到静电纺丝液；
15、进一步优选的，将压电聚合物溶解于溶剂搅拌得到静电纺丝液时，溶剂为n,n-二甲基甲酰胺和/或丙酮，溶液浓度为10-20wt％，溶解温度为70℃，搅拌时间为6h；所述静电纺丝参数：纺丝电压为15-22kv，接收辊的转速为800-1500mm/s，纺丝距离为90-140mm，挤出量为0.6-1ml/h，纺丝时间为3-5h。
16、进一步优选的，将压电聚合物加热成聚合物熔体得到静电纺丝液时，熔体温度为170-240℃。所述静电纺丝参数：温度为230-245℃，纺丝电压为20-24kv，纺丝距离为40-50mm，后放入80℃的烘箱中干燥2h。
17、优选的，步骤2中，所述无机半导体的前驱体为无机半导体对应盐或酯类化合物。
18、优选的，步骤2中，所述无机半导体的前驱体溶液的溶剂为醇或水。
19、优选的，步骤2中，所述无机半导体的前驱体溶液的浓度为0.3-0.5mol/l。优选的，步骤2中，所述引发剂为碱液或水。
20、优选的，步骤2中，所述水热合成温度为90-95℃，合成时间为1-3h。
21、优选的，步骤3中，所述氯化铁溶液的浓度为0.5-2.5mol/l。
22、优选的，步骤3中，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种柔性压电半导体纤维，其特征在于，所述柔性压电半导体纤维单层复合结构，以压电聚合物纳米纤维膜为基底层，以无机半导体为中间负载层，以聚合物半导体为最外层。
2.根据权利要求1所述的柔性压电半导体纤维，其特征在于，所述基底层厚度为0.16-0.32mm；所述中间负载层厚度为0.03-0.05mm；所述最外层厚度为0.011-0.021mm。
3.根据权利要求1所述的柔性压电半导体纤维，其特征在于，所述压电聚合物纳米纤维膜中的压电聚合物为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟乙烯和聚丙烯腈中的任意一种或多种；所述无机半导体为二氧化钛、氧化锌和二氧化锡中的任意一种或多种；所述聚合物半导体为聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩中的任意一种或多种。
4.一种根据权利要求1-3任一项所述的柔性压电半导体纤维的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；
5.根据权利要求4所述的柔性压电半导体纤维的制备方法，其特征在于，所述静电纺丝液通过以下方法制备得到：
6.根据权利要求4所述的柔性压电半导体纤维的制备方法，其特征在于，
7.根据权利要求4所述的柔
8.一种根据权利要求1-3任一项所述的柔性压电半导体纤维在制备纳米发电机中的应用。
9.一种纳米发电机，其特征在于，包括权利要求1-3任一项所述的柔性压电半导体纤维、分别设置在所述的柔性压电半导体纤维两侧的铜电极和铝电极，以及设置在最外层的密封膜。
10.根据权利要求9所述的纳米发电机，其特征在于，
...【技术特征摘要】
1.一种柔性压电半导体纤维，其特征在于，所述柔性压电半导体纤维单层复合结构，以压电聚合物纳米纤维膜为基底层，以无机半导体为中间负载层，以聚合物半导体为最外层。
2.根据权利要求1所述的柔性压电半导体纤维，其特征在于，所述基底层厚度为0.16-0.32mm；所述中间负载层厚度为0.03-0.05mm；所述最外层厚度为0.011-0.021mm。
3.根据权利要求1所述的柔性压电半导体纤维，其特征在于，所述压电聚合物纳米纤维膜中的压电聚合物为聚偏氟乙烯、聚偏氟乙烯-三氟乙烯和聚丙烯腈中的任意一种或多种；所述无机半导体为二氧化钛、氧化锌和二氧化锡中的任意一种或多种；所述聚合物半导体为聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩中的任意一种或多种。
4.一种根据权利要求1...
【专利技术属性】
技术研发人员：宋云飞，李金徽，王闻宇，金欣，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：
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