CN106328803A - 一种压电能量回收器件及其制备方法 - Google Patents

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陆斌
施盛杰
徐磊
刘雲
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Abstract

本发明公开了一种压电能量回收器件，包括压电纳米纤维材料、聚二甲基硅氧烷、输出端电极及导线、金叉指电极和柔性基底板，且金叉指电极镀设于柔性基底板的一侧，且输出端电极及导线与金叉指电极电性连接，压电纳米纤维材料和聚二甲基硅氧烷的混合层设于柔性基底板上设有金叉指电极的一侧，压电纳米纤维材料、柔性基底板上和金叉指电极通过聚二甲基硅氧烷进行封装固定。本发明是一种具有小体积、轻质量、绿色环保、柔韧性好、综合性能优良的压电能量回收器件。可为微型化集成化领域的能源问题提供新的解决方案，也可对整个智能穿戴行业及智能城市的发展产生一定影响，随之将会带来良好的经济和社会效益。

Description

一种压电能量回收器件及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种柔性环保压电能量回收器件，属于压电器件领域。
背景技术
机械能是环境中最广泛和丰富的能源之一，将环境中的机械能实现回收，给随身携带的移动或可植入医疗设备(如心率计、计步器等人体监护设备)进行供电，使其长时间使用而不需要更换电源或电池，完全实现自驱动，吸引了广泛的研究兴趣。基于压电效应的压电能量收集器，因可实现机械能与电能有效转换，受到广泛关注，如何提高当前压电能量收集器件的输出电压与功率，达到便携式电子器件要求成为了应用的关键。
在当前的压电能量回收器件中，王中林等人率先开展相关研究工作，制备了一系列的微小能量回收器件，采用的主要是ZnO压电半导体(Science 312(2006)242–246，Science 316(2007)102–105，Nano Lett.10(2010)3151-3155)。但是考虑到压电半导体ZnO作为压电纳米发电机的核心材料，其压电系数及机电耦合系数小，会显著限制器件的输出功率与效率。为了进一步提高器件的输出电压与功率，Xu等人利用具有钙钛矿结构的Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-PbTiO3的高压电与机电耦合性能制备了复合的能量收集器件，显著提高了器件的输出(Nano Lett.13(2013)2393-2398)，但是需要指出的是，这类体系含铅量高(质量百分比达60％以上)，对人体和环境的带来巨大危害，世界各发达国家已立法对铅基压电材料的使用进行了明确限制。
发明内容
本发明的目的在于制备一种柔性、环保、可穿戴式的压电能量回收器件。一方面，为了提高器件的输出电压与电流，并有利于环境保护，本发明采用了当前铅基压电材料最有望的替代之一钛酸铋钠基压电体系(基于钛酸铋钠的钙钛矿固溶体如BNT-xBT在准同型相界(MPB)附近具有优良的压电与机电耦合响应)；另一方面，由于外界环境中的振动能量频率较低，为将其进行有效回收，本发明采用的是纳米纤维形式的BNT-xBT，并利用有机柔性材料聚二甲基硅氧烷进行封装，这样可利用其弯曲等模式的低频特点更有效地实现外界能量回收。
一种压电能量回收器件，包括压电纳米纤维材料、聚二甲基硅氧烷、输出端电极及导线、金叉指电极和柔性基底板，且金叉指电极镀设于柔性基底板的一侧，且输出端电极及导线与金叉指电极电性连接，压电纳米纤维材料和聚二甲基硅氧烷的混合层设于柔性基底板上设有金叉指电极的一侧，压电纳米纤维材料、柔性基底板上和金叉指电极通过聚二甲基硅氧烷进行封装固定。
压电能量回收器件尺寸为长度50mm，宽度15mm，厚度1mm。
柔性基底板的厚度为0.05-0.15mm。
相邻叉指的间距范围为0.5-3mm。
压电纳米纤维层的厚度为50-500μm。
压电纳米纤维层的纤维为平直长纤维，压电纳米纤维层的纤维直径为100-300nm。
压电纳米纤维层为BNT-xBT纳米纤维，钛酸钡摩尔含量为0.04-0.10。
BNT-xBT与聚二甲基硅氧烷的混合层中BNT-xBT质量百分比为15％。
一种压电能量回收器件制备方法，包括以下步骤：
静电纺丝工艺制备BNT-xBT的压电纳米纤维材料，选取的钛酸钡摩尔含量为0.07，将制备得到的BNT-0.07BT纳米纤维在750℃下热处理2h；
在单面镀有金叉指电极的柔性基底板上，涂覆一层BNT-0.07BT与聚二甲基硅氧烷的混合层，在叉指电极的输出端利用电烙铁引两根导线，用于电压与电流测试，待固化完成后，外层进一步利用聚二甲基硅氧烷进行封装并在25℃下固化48h成型；
将制备好的器件在80℃极化，极化电压5kV/mm，极化时间为1h，极化完成后自然冷却至室温。
综上所述，本发明是一种具有小体积、轻质量、绿色环保、柔韧性好、综合性能优良的压电能量回收器件。可为微型化集成化领域的能源问题提供新的解决方案，也可对整个智能穿戴行业及智能城市的发展产生一定影响，随之将会带来良好的经济和社会效益。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是基于BNT-0.07BT纳米纤维的压电能量回收器件结构图。
图2是750℃下热处理后的BNT-0.07BT纳米纤维的形貌图。
图3是750℃下热处理后的BNT-0.07BT纳米纤维的相结构图。
图4是BNT-0.07BT纳米纤维微区的位移(Displacement)与相位(Phase)响应示意图。
图5是BNT-0.04BT纳米纤维微区的位移(Displacement)与相位(Phase)响应示意图。
图6是在外界激励下压电能量回收器件的输出电压波形图。
具体实施方式
下面结合附图进一步阐述本发明的具体实施方式：
柔性压电能量回收器件的结构如图1所示。
器件采用的核心压电元件为二元体系BNT-xBT无铅压电材料，其中x为BNT-xBT中BT的摩尔含量，选取的组分位于MPB附近区域，具有优良的压电与机电耦合性能，可显著提高目前压电微能收集器的输出电压与功率。采用的材料形式为一维的纳米纤维，与体材料与薄膜相比，纤维具有大的长径比，易实现弯曲的特点，适合制备小体积、轻质量的压电能量收集器件，便于相关信息处理装置的微型化与集成化。
器件结构如图1所示，器件采用叉指电极结构，中间部分是单面镀有金叉指电极的柔性基底板3，厚度约0.1mm。其上方部分首先覆盖一层薄BNT-xBT纳米纤维层4，厚度50-500μm，叉指电极两端引出导线2作为输出电极端，整个器件采用聚二甲基硅氧烷1封装，封装固化好的器件在高温高压下进行极化，极化时间约15-60min，极化电场4-8kV/mm，极化温度60-100℃。极化完的器件样品可进行测试，测试时利用示波器和电流计分别测量输出开路电压与短路电流。器件工作基于压电效应原理，当受到外界压力与形变等激励时，每一个发电单元会相应的产生形变，从而引起压电材料电极化强度发生改变，同时产生相应的电压与电流输出。
器件中所采用的叉指电极结构，每个相邻叉指是一个发电单元，多个单元机械串联、电学并联可增加信号输出，为了使极化更充分，发挥BNT-xBT的压电性能，实验中选取的相邻叉指的间距范围为0.5-3mm。
本发明的压电能量回收器件制备方法首先采用静电纺丝工艺首先制备BNT-xBT的压电纳米纤维材料，选取的钛酸钡摩尔含量为0.07，将制备得到的BNT-0.07BT纳米纤维在750℃下热处理2h，得到的纤维形貌如图2所示，纤维长而平直，直径约100-300nm。利用X射线衍射仪(XRD)表征其相结构，如图3所示，从图中看出，具有纯钙钛矿结构，没有检测到杂相。利用压电力显微镜(PFM)表征纤维的压电性能，如图4所示，等效压电系数高达109pm/V，相比之下，远离MPB组分的纤维具有相对较小的压电响应，如BNT-0.04BT纤维的等效压电系数为73pm/V，其微区响应如图5所示。
器件制备过程中，首先在单面镀有金叉指电极的柔性基底板上，涂覆一层BNT-0.07BT与聚二甲基硅氧烷的混合层(BNT-0.07BT质量百分比为15％)，在叉指电极的输出端利用电烙铁引两根导线，用于电压与电流测试，待固化完成后，外层进一步利用聚二甲基硅氧烷进行封装并在25℃下固化48h成型，器件尺寸为长度50mm，宽度15mm，厚度1mm。
将制备好的器件在80℃极化，极化电压5kV/mm，极化时间为1h，极化完成后自然冷却至室温。
测量器件的输出电压时，将两根输出导线共同连接到示波器上，采用不同强度、频率的压力进行敲击，得到周期性的电压输出。随着敲击力度的增加，输出电压不断增加，最高输出可达到30V以上，平均功率达到8.7μW，如图5所示，通过设计相应的激励电路已实现LED灯自驱动。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种压电能量回收器件，其特征在于，包括压电纳米纤维材料、聚二甲基硅氧烷、输出端电极及导线、金叉指电极和柔性基底板，且金叉指电极镀设于柔性基底板的一侧，且输出端电极及导线与金叉指电极电性连接，压电纳米纤维材料和聚二甲基硅氧烷的混合层设于柔性基底板上设有金叉指电极的一侧，压电纳米纤维材料、柔性基底板上和金叉指电极通过聚二甲基硅氧烷进行封装固定。
2.根据权利要求1所述的压电能量回收器件，其特征在于，压电能量回收器件尺寸为长度50mm，宽度15mm，厚度1mm。
3.根据权利要求1所述的压电能量回收器件，其特征在于，柔性基底板的厚度为0.05-0.15mm。
4.根据权利要求1所述的压电能量回收器件，其特征在于，相邻叉指的间距范围为0.5-3mm。
5.根据权利要求1所述的压电能量回收器件，其特征在于，压电纳米纤维层的厚度为50-500μm。
6.根据权利要求5所述的压电能量回收器件，其特征在于，压电纳米纤维层的纤维为平直长纤维，压电纳米纤维层的纤维直径为100-300nm。
7.根据权利要求6所述的压电能量回收器件，其特征在于，压电纳米纤维层为(1-x)Bi0.5Na0.5TiO3-xBaTiO3(BNT-xBT)纳米纤维，钛酸钡摩尔含量为0.04-0.10。
8.根据权利要求7所述的压电能量回收器件，其特征在于，钛酸钡摩尔含量为0.07。
9.根据权利要求1至7中任意一项所述的压电能量回收器件，其特征在于，BNT-xBT与聚二甲基硅氧烷的混合层中BNT-xBT质量百分比为15％。
10.一种制备权利要求1至9中任意一项所述的压电能量回收器件制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
静电纺丝工艺制备BNT-xBT的压电纳米纤维材料，选取的钛酸钡摩尔含量为0.07，将制备得到的BNT-0.07BT纳米纤维在750℃下热处理2h；
在单面镀有金叉指电极的柔性基底板上，涂覆一层BNT-xBT与聚二甲基硅氧烷的混合层，在叉指电极的输出端利用电烙铁引两根导线，用于电压与电流测试，待固化完成后，外层进一步利用聚二甲基硅氧烷进行封装并在25℃下固化48h成型；
将制备好的器件在80℃极化，极化电压5kV/mm，极化时间为1h，极化完成后自然冷却至室温。
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