[发明专利]一种压电薄膜、压电纳米发电机及其制备方法

说明书

本发明提供一种压电薄膜的制备方法，该制备方法包括如下步骤：(1)将羧甲基纤维素钠、压电高分子材料、分散剂和导电态聚苯胺与浓盐酸混合，混合均匀；然后将pH值调节至1～4；(2)将步骤(1)得到的混合物经液氮冷冻或干冰/乙醇浴冷冻至完全凝固，然后冷冻干燥，得到气凝胶；(3)将步骤(2)得到的气凝胶升温加压成薄膜；(4)将步骤(3)得到的薄膜在液氮中降温，进行极化，得到所述压电薄膜。本发明所述方法增强了压电纳米发电机的导电性，减少了在能量转换过程中因压电纳米发电机的内阻产生的损耗，进一步提高了压电纳米发电机的能量转换效率。

技术领域

本发明属于电热材料技术领域，具体涉及一种压电薄膜、压电纳米发电机及其制备方法和应用。

背景技术

随着科技的发展，环境污染问题日趋严重，发展新型的可再生能源迫在眉睫。近年来，纳米发电机由于其能够将振动、风能、摩擦等普遍存在于自然界中的能量收集起来并转换成可被利用的电能，并具有能量转换效率高、体积小、质量轻等优点，受到了广泛的关注。

目前，最常见的纳米发电机包括压电纳米发电机、摩擦电纳米发电机和热释电纳米发电机。其中压电纳米发电机自2006被提出后，由于其结构简单、灵敏度高，取得了空前的发展，逐渐在轨道交通、人工智能、医疗健康等领域取得了显著成绩，在为便携式电子设备进行能源供应等方面获得了非常广泛的应用。

具体而言，以聚偏二氟乙烯和三氟乙烯为代表的压电高分子材料，由于其优异的压电性能和柔韧性，将成为柔性压电纳米发电机的最佳选择。然而，如何通过压电高分子材料和结构的设计，进一步减少压电纳米发电机的能量损耗，提高压电纳米发电机的能量转换效率，则是当前研究的重点。

发明内容

鉴于上述问题，本发明提供了一种压电薄膜、压电纳米发电机及其制备方法和应用。具体而言，本发明公开了一种基于炭化技术的导电态聚苯胺的高性能压电纳米发电机的制备方法。所述方法通过高温保压使所述羧甲基纤维素钠发生炭化，形成微米尺寸的炭球和微孔，有效提高压电薄膜的比表面积从而增强压电纳米发电机的导电性，减少了在能量转换过程中因压电纳米发电机的内阻产生的损耗，进一步提高了压电纳米发电机的能量转换效率。本发明所述压电薄膜的制备方法简单，性能优异，能够用于大规模地、工业化地生产压电纳米发电机。

用于实现上述目的的技术方案如下：

本发明提供一种压电薄膜的制备方法，该制备方法包括如下步骤：

(1)将羧甲基纤维素钠、压电高分子材料、分散剂和导电态聚苯胺与浓盐酸混合，混合均匀；然后将pH值调节至1～4；所述方法中，该PH值为1～4能够使得导电态聚苯胺表现出良好的导电性能；所述羧甲基纤维素钠和压电高分子材料能够在PH值为1～4的条件下稳定存在；其中导电态聚苯胺为商购产品，购自武汉远成共创科技有限公司，单号为164091。

(2)将步骤(1)得到的混合物经液氮冷冻或干冰/乙醇浴冷冻至完全凝固，然后冷冻干燥，得到气凝胶；

(3)将步骤(2)得到的气凝胶升温加压成薄膜；根据该步骤得到的薄膜经过了炭化，具有微米级别的炭球和多孔结构，如附图1所示；这种多孔结构使得所述薄膜在外力作用下更容易发生形变，从而产生更大的压电效应；此外，该炭球和内部孔洞的表面也会由于压电效应和静电感应作用积累电荷，从而进一步增强所述薄膜的压电性能。

(4)将步骤(3)得到的薄膜在液氮中降温，进行极化，得到所述压电薄膜；该步骤的极化过程增大了所述薄膜中的压电性能优异的β相的含量。

在一个实施方案中，本发明所述的压电薄膜的制备方法中，所述步骤(1)中，所述羧甲基纤维素钠、所述压电高分子材料和所述分散剂的质量分数比为4～6:4～6:0.5～1.5。

在一个实施方案中，本发明所述的压电薄膜的制备方法中，所述步骤(1)中，所述羧甲基纤维素钠、所述压电高分子材料和所述分散剂的质量分数比为5:5:1。