[发明专利]一种基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于新能源开发和发电技术领域，具体涉及一种基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机及其制备方法。

背景技术

随着环境污染和能源危机的不断加剧，发展绿色能源变得越来越迫在眉睫。机械能在我们日常生活中是非常普遍的，将其转化为电能成为缓解能源危机的一个重要途径。

摩擦纳米发电机可以收集多种形式的机械能，比如振动能、生物能等等。其工作原理基于摩擦起电和静电感应的耦合。当两种具有不同摩擦电极性的材料不断相互接触分离或相对滑动时，在外电路中就会持续产生交流电。摩擦纳米发电机由于其成本低廉，制作简单，能量转化效率高等优点，越来越受到研究者的关注。

但是，在现有技术中摩擦纳米发电机的摩擦材料比较固定，多为金属和高分子聚合物，如铝、铜、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚四氟乙烯(PTFE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等，摩擦纳米发电机的研究重点也主要集中在纯柔性摩擦材料以及新型结构上。上述摩擦材料使摩擦纳米发电机的应用范围限制在单一的摩擦发电领域，很难与其他领域相互交叉结合，这样必定会限制摩擦纳米发电机的长远发展。铌酸锂材料具有优良的压电效应、电光效应、声光效应、非线性效应及光折变效应，发展基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机对于开发复合型纳米发电机及新型高灵敏传感器具有巨大的应用潜力。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机，用以解决现有的摩擦纳米发电机的摩擦材料相对单一化的问题。所设计的摩擦纳米发电机结构简单，输出电压稳定。

依据本发明的第一方面，提供一种基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机，其包括由第一摩擦材料组成的正极性摩擦层、由第二摩擦材料组成的负极性摩擦层、第一电极、第二电极；其中，所述第一摩擦材料与第一电极相接触，所述第二摩擦材料与第二电极相接触，所述第一摩擦材料与第二摩擦材料之间接触或分离设置，当有交变外力作用在所述摩擦纳米发电机时，第一摩擦材料与第二摩擦材料会发生接触/分离或相对滑动，使第一电极和第二电极之间产生交流电信号；第一摩擦材料为铌酸锂材料。

进一步地，所述的铌酸锂材料可以是同成分铌酸锂，也可以是掺杂铌酸锂，如掺铁铌酸锂、掺镁铌酸锂等。所述的铌酸锂材料可以是铌酸锂单晶薄片，也可以是铌酸锂多晶薄膜。所述第二摩擦材料为柔性高分子聚合物。

进一步地，对应于所述铌酸锂单晶薄片的第一电极是金属电极，对应于所述铌酸锂多晶薄膜的第一电极是高掺硅电极。所述第二电极是金属电极。所述柔性高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

进一步地，所述的聚合物聚二甲基硅氧烷表面上修饰有微结构，微结构尺寸为5-10微米，深度为10-15微米。

依据本发明的第二方面，提供一种制备基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机的制备方法，其包括步骤如下：

步骤1，制备铌酸锂单晶薄片并与金属电极进行粘合或在高掺硅基底上制备铌酸锂多晶薄膜；

步骤2，制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)并在其摩擦表面修饰微结构；

步骤3，将所述聚二甲基硅氧烷(PDMS)未修饰微结构的一面和金属薄片进行粘合；

步骤4，分别在金属电极和高掺硅电极上引出铜导线；

步骤5，将步骤1中制备的带有电极的铌酸锂材料和将步骤3中制备的带有电极的聚二甲基硅氧烷(PDMS)分别固定在可产生相对移动的装置上，所述带有电极的铌酸锂材料和所述PDMS具有微结构的表面处于相向位置；

步骤6，可产生相对移动的装置工作时，带动铌酸锂材料和聚二甲基硅氧烷发生接触/分离或相对滑动，使用示波器采集输出电压。

进一步地，铌酸锂单晶薄片为使用内圆切方法对由提拉法制成的铌酸锂柱状晶体进行(006)面切割(c向切割)所得，其厚度约为500纳米-5毫米。铌酸锂多晶薄膜采用激光分子束外延(LMBE)的方法制备而成。薄膜厚度约为100-500纳米，薄膜表面具有不平整度。

进一步地，制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)微结构的方法是使用黑硅作为母版。

本发明的有益效果为：

本发明提供的基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机使用单晶铌酸锂薄片或激光分子束外延(LMBE)方法制备的铌酸锂薄膜作为新型摩擦材料。铌酸锂材料具有优良的压电效应、电光效应、声光效应、非线性效应及光折变效应，发展基于铌酸锂材料的摩擦纳米发电机可以将纳米发电机的应用范围扩大到光学、声学及传感等领域，具有巨大的应用潜力。

附图说明