磁力驱动的纳米发电机制造技术

本发明专利技术公开依靠磁力驱动的纳米发电机及制备方法。本发明专利技术的磁力驱动的纳米发电机结构是：在由磁性粉末材料与聚合物材料混合制成的弹性基片上敷有与弹性基片相绝缘的压电材料，在压电材料的两端分别设置有连接导线的电极，所述的基片与压电材料用弹性绝缘材料封装制成发电器件，发电器件的两端，即发电器件沿丝状压电材料的长度方向的两端，分别固定于一个相对的刚性体上，在发电器件的表面，即基片平面的上面或下面设置有一个磁场强度可周期改变的磁场。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种纳米发电机及这种发电机的制备方法，特别是一种依靠磁力驱动的纳米发电机及制备方法。
技术介绍
纳米发电机是美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等在2006年首次提出并研制成功的基于纳米级压电材料的发电装置。参见王中林，宋金辉，Science, April 2006，Vol 312，No. 5771 ;王旭东，宋金辉，Science, April 2007，Vol316，No. 5821 ;秦勇，王旭东，Nature，February 2008, Vol 451，No. 7180。这一装置可以整合纳米器件，为其它纳米器件提供能量，实现真正意义上的纳米系统。纳米发电机可以收集 各种形式的机械能比如人体运动、肌肉收缩等所产生的能量；声波引发震动产生的能量；体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量等等，并最终将这些能量转化为电能提供给纳米器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，从而让无纳米器件或纳米机器人实现能量自供。纳米发电机目前虽然仍没有投入到实际应用但其无论在生物医学、军事、无线通信和无线传感等方面广泛的应用前景是显而易见的。目前，用于制作纳米发电机的材料主要分两种，分别是压电半导体与铁电材料。最初而且也是应用最多的是氧化锌纳米线，氧化锌作为一种半导体材料具有优异的光学、生物学性能。以它为核心制制作的纳米发电机既能靠其压电性能实现机械能向电能的转换，又能依靠其生物相容性把器件植入到生物体内。铁电材料普遍具有较高的压电系数，用它来制作的纳米发电机会有更高的输出电压。纳米发电机虽然都是依靠机械能到电能的转化向外输出能量，但是由于机械能有着各种各样的表现形式，所以纳米发电机的驱动方式也有很多种。目前，已经出现的驱动方式主要有以下几种1、依靠两片基底摩擦使基底上的纳米线弯曲，从而产生压电势。参见秦勇，王旭东，Nature,February 2008, Vol 451,No. 7180。2、弯曲弹性基底使处于拉伸面的压电材料拉伸，从而产生压电势。参见朱光，杨如森，Nano Letters,July 2010,Vol 10,8。3、直接挤压使压电材料压缩，从而产生压电势。参见胡友凡，张扬，徐晨，Nano Letters,November 2010，VollO，No. 12。4、超声波驱动产生压电势。参见王旭东，Nano Letters,May 2007, Vol 7，No. 8。
技术实现思路
本专利技术提供一种制备工艺简单，制造成本低廉，重复性好，输出能量密度大，可在磁场力作用下实现无线驱动的压电材料纳米发电机，同时提供了这种电机的制备方法。本专利技术的磁力驱动的纳米发电机结构如下在由磁性粉末材料与聚合物材料混合制成的弹性基片上敷有与弹性基片相绝缘的压电材料，在压电材料的两端分别设置有连接导线的电极，所述的基片与压电材料用弹性绝缘材料封装制成发电器件，发电器件的两端，即发电器件沿丝状压电材料的长度方向的两端，分别固定于一个相对的刚性体上，在发电器件的表面，即基片平面的上面或下面设置有一个磁场强度可周期改变的磁场。本专利技术的发电机中所用的磁性粉末材料可以铁粉或四氧化三铁粉或钴粉或镍粉；所使用的聚合物材料及封装器件用的聚合物材料均要求具有弹性，这些材料可以是聚二甲基硅氧烷或聚甲基丙烯酸甲酯或SU8胶，等；所用的压电材料可以是氧化锌或锆钛酸铅或铌酸锂或硫化镉或聚偏氟乙烯或钡钛氧或偏锡酸锌或锆钛酸钡钙，等。本专利技术实施例中的发电器件所用的磁性材料为磁性粉末；所用的聚合物材料为聚二甲基硅氧烷。本专利技术的一个实施例中，所使用的压电材料为锆钛酸铅；所用的磁性材料为铁粉或四氧化三铁粉末；所用的聚合物材料及弹性绝缘材料均采用了聚二甲基硅氧烷。本专利技术的这种纳米发电机在使用时，当所设的磁场改变其磁场强度时，可对弹性基片的磁性材料产生周期性吸引，使敷在弹性基片上的压电材料发生周期性的弯曲，使压 电材料的上下面分别产生拉伸和压缩，形成压电效应，产生电能。本专利技术的发电机的制备方法如下a.制备出的压电材料的薄膜或线或带或纤维，或者制备出压电材料的粉体，再将粉体与粘合剂混合压制成膜或带；b.将弹性聚合物与相应的固化剂按确定比例混合均匀，并在混合好的聚合物中添加磁性粉末，经混合均匀后摊平、固化处理；c.当所用的磁性粉末为电导体时，在按b步骤制备出的片材上旋涂一层弹性的绝缘层，再将这一片材裁剪成设计要求的条状，得到弹性基片；当所用的磁性粉末为电绝缘体时免去本步骤；d.将压电材料裁剪或铺设成设计要求的条状；e.将前述准备条状的压电材料放置到制备好的弹性磁基片上并与基片紧密接触并展平；f.在压电材料的两端制成电极并引出电线，再用弹性绝缘材料对前述基片进行封装，得到得到发电器件；g.在弹性基片平面的上方或下方设置磁场强度可周期改变的磁场，构成完整的发电机。上述本专利技术的制备方法中可采用电纺技术制备丝状压电材料，或者采用水热法或气象沉积制备出薄膜状或线状或带状或粉末状压电材料。本专利技术的一个具体实例例的制备方法为a.制备出定向排列的锆钛酸铅压电材料丝状纤维；b.将弹性聚合物与相应的固化剂按确定比例混合均匀，并在混合好的聚合物中添加磁性粉末，经混合均匀后摊平、固化处理；c.当所用的磁性粉末为电导体时，在按b步骤制备出的片材上旋涂一层弹性的绝缘层，再将这一片材裁剪成设计要求的条状，得到弹性基片；当所用的磁性粉末为电绝缘体时免除本步骤；d.将定向排列的压电材料丝状纤维裁剪成设计要求的条状；e.将前述剪好的条状定向排列的压电材料丝状纤维放置到制备好的弹性磁基片上并与基片紧密接触并展平；f.在丝状压电材料的两端制成电极并引出电线，再用弹性绝缘材料对前述基片进行封装，得到得到发电器件；g.在由丝状压电材料长度方向构成的平面的上方或下方设置磁场强度可周期改变的磁场，构成完整的发电机。前段所述的纳米发电机制备方法是采用了电纺技术制备出定向排列的锆钛酸铅压电材料丝状纤维。本专利技术的一个具体的制备方法中，在完成e步骤后将塑料膜裁剪成适当的长条作为掩模板盖在弹性磁基片上的条状定向排列的锆钛酸铅丝状纤维的中间，并使条状定向排列的锆钛酸铅丝状纤维薄膜左右两边分别从作为掩模板的塑料膜边缘露出适当的宽度，再将覆盖好掩模板的基底与条状定向排列的锆钛酸铅丝状纤维薄膜左右两端用镀膜或溅射方法制出导电电极，除去用作掩模板的塑料膜，并在电极上引出导线，再将弹性基片及其上的锆钛酸铅丝状纤维薄膜、电极用弹性聚合物材料完全封装，得到发电器件。本专利技术的优点在于I、本专利技术提供了一种非接触的依靠磁力驱动的无线纳米发电机。以往的纳米发电机不论使用什么材料都需要一种需要接触的驱动方式，而本专利技术却可以在封闭系统外部依靠磁场力向封闭系统内部供电能。2、由于本专利技术为一种非接触的发电机，因此可以适用在一些特殊场合，如在动物体内。3、本专利技术的无线驱动纳米发电机制备方法较为简便，工艺相对简单。附图说明附图I为用电纺技术制备的定向排列的锆钛酸铅(PZT)丝状纤维薄膜的纳米纤维扫描电镜照片。附图2为定向电纺的锆钛酸铅(PZT)纳米纤维的XRD衍射谱图。附图3为本专利技术的纳米发电机结构示意图，其中1为铁粉与聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合固化后弹性基片；2为由聚二甲基硅氧烷(PDMS)构成本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.磁力驱动的纳米发电机，其特征在于在由磁性粉末材料与弹性聚合物材料混合制成的弹性基片上敷有与弹性基片相绝缘的压电材料，在压电材料的两端分别设置有连接导线的电极，所述的基片与压电材料用弹性绝缘材料封装制成发电器件，发电器件的两端，即发电器件沿丝状压电材料的长度方向的两端，分别固定于一个相对的刚性体上，在发电器件的表面，即基片平面的上面或下面设置有一个磁场强度可周期改变的磁场。2.根据权利要求I所述的磁力驱动的纳米发电机，其特征在于所用的磁性材料为磁性粉末；所用的弹性聚合物材料为聚二甲基硅氧烷。3.根据权利要求2所述的磁力 驱动的纳米发电机，其特征在于所用的压电材料是锆钛酸铅。4.权利要求I所述的磁力驱动的纳米发电机的制备方法，其特征在于 a.制备出的压电材料的薄膜或线或带或纤维，或者制备出压电材料的粉体，再将粉体与粘合剂混合压制成膜或带； b.将弹性聚合物与相应的固化剂按确定比例混合均匀，并在混合好的聚合物中添加磁性粉末，经混合均匀后摊平、固化处理； c.当所用的磁性粉末为电导体时，在按b步骤制备出的片材上旋涂一层弹性的绝缘层，再将这一片材裁剪成设计要求的条状，得到弹性基片；当所用的磁性粉末为电绝缘体时免去本步骤； d.将压电材料裁剪或铺设成设计要求的条状； e.将前述准备条状的压电材料放置到制备好的弹性磁基片上并与基片紧密接触并展平; f.在压电材料的两端制成...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦勇，崔暖洋，吴巍炜，白所，
申请(专利权)人：兰州大学，
类型：发明
国别省市：