一種基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件及其制備方法
【專利摘要】本發明公開了一種基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件及其制備方法。所述器件自下而上依次包括：柔性基材、電極層、壓電纖維層、保護層；所述柔性基材為柔性絕緣塑料薄膜；所述壓電纖維層為PVDF纖維。通過采用柔性基材，采用照相制版工藝制備梳狀電極，并選擇合適的靜電紡絲參數沉積PVDF壓電纖維，無需再對壓電纖維進行極化，使纖維整齊排列、減小纖維缺陷，能夠簡化納米壓電纖維能量捕獲器件制備工藝，提高能量轉換效率，尤其是對彎曲運動機械能的捕獲效果。
【專利說明】一種基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于能源【技術領域】，更具體地，涉及一種基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件及其制備方法。
【背景技術】
[0002]近年來隨著能源危機的爆發和微機電系統(MEMS)技術的快速發展，對微型能量捕獲器提出了新的要求，其應用范圍也擴展到植入式醫療設備和可穿戴電子產品。目前，采用壓電原理的微型振動能量捕獲器，通過壓電效應將彎曲、振動、擠壓等動作產生的機械能轉化為電能，并提供給相應電子器件。
[0003]基于硅基工藝的傳統MEMS技術，多采用壓電陶瓷等制造能量捕獲器件，主要集中在對振動運動的捕獲，且制造基材為剛性基板硅，無法實現對彎曲運動的能量收集，為了更好的適應工作環境，提高能量捕獲效率。近年來采用壓電聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)的能量捕獲器件得到廣泛關注，由于其具有良好的壓電性能、穩定的化學性能，生物相容性等，其逐漸代替原有的能量捕獲裝置。
[0004]PVDF是一種穩定的柔性的有機材料，屬于長鏈分子的高分子聚合物，只有極化后才具有強壓電性，其晶型主要包括4種:α相，β相，y相，d相。通常狀態下PVDF都以α晶相存在，而只有β晶相的才具有良好的壓電性。傳統的壓電傳感器和能量捕獲器采用PVDF薄膜作為功能層，主要采用旋涂的方式獲得，并需要進一步對薄膜進行極化，通常采用的方法包括熱極化、高壓極化、拉伸極化等，最終獲得的薄膜功能層往往缺陷較多，同時壓電系數較低。
[0005]為了改善這一現象，采用靜電紡絲工藝制造的由納米纖維組成的無紡布被用作能量捕獲器得到廣泛研究。其優勢體現在PVDF作為高分子材料，容易制成溶液，可以與電紡絲技術更好的結合。Lin等(Juan Pu, Xiaojun Yan, Yadong Jiang, etal.Piezoelectric actuat1n of direct-write electrospun fibers.Sensors andActuators A:Physical, 2010, 164 (I): 131-136)采用近場電紡絲技術制造了單根 PVDF。由于單根纖維輸出功率有限，這篇文獻只是在原理上進行了驗證，僅是將單根纖維懸停在兩個平行電極上，未提出完整的器件方案。之所以僅采用單根PVDF，是由于近場電紡絲采取蘸取溶液的方式，無法長時間噴射；同時由于紡絲過程中液滴容易滴落，導致噴射中斷，因此通過這種方式很難得到多根PVDF纖維。后來，另一篇文獻(Chang J，LinL.Large array electrospun PVDF nanogenerators on a flexible substrate//Solid-State Sensors, Actuators and Microsystems Conference(TRANSDUCERS),201116th Internat1nal.1EEE, 2011:747-750)采用了梳狀電極，以及纖維陣列，由于采用近場電紡絲直接鋪敷在梳狀電極上的纖維極化方向不一致，而為了保證電壓產生單元并聯，需要將纖維極化方向統一，即，相鄰梳狀電極之間的纖維的極化方向要保持一致，因此纖維通過近場電紡絲直接沉積后需要進行后續極化，工藝過程復雜。Wang等(HansenB J, LiuY，Yang Rj et al.Hybrid nanogenerator for concurrently harvesting b1mechanicaland b1chemical energy.ACS nano, 2010，4 (7): 3647-3652)米用無序的纖維制造了用于生物體內的能量捕獲器，雖然基板為柔性塑料聚酰亞胺，但由于采用滾筒收集，一方面纖維排列不夠整齊，另一方面收集的纖維極化方向隨機分布，形成的無紡布再制造的器件信號輸出較弱，這兩方面因素均導致器件的效率低。專利CN102393264A公布了一種基于納米壓電纖維的壓力傳感器，雖然明確提出了采用PVDF納米壓電纖維直接寫在兩個金屬電極上，但無整個傳感器的具體結構，且在實際操作中纖維排列雜亂無章，無法控制纖維極化方向，同時沒有封裝層，另一方面基板為硅基底，只能作為壓力信號的捕捉。專利CN103532430A公布了一種基于壓電材料的柔性微型能量采集器，雖然文中提出壓電層采用靜電紡絲工藝或者旋涂工藝，但由于無法直接獲得極化的壓電材料，同時又未有后續極化工序，從理論上講，產生的電壓將互相抵消，輸出功率非常小。
【發明內容】
[0006]針對現有技術的缺陷，本發明的目的在于提供一種基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件及其制備方法，其中通過對其關鍵工藝步驟及結構譬如基材、電紡絲過程、封裝工藝等進行改進，與現有技術相比能夠有效解決壓電纖維極化工藝復雜、極化后壓電纖維缺陷多、壓電系數較低的問題，達到簡化納米壓電纖維能量捕獲器件制備工藝，提高能量轉換效率(尤其是對彎曲運動能量的捕獲)的技術效果。
[0007]為實現上述目的，按照本發明的一個方面，提供了一種基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件的制備方法，其特征在于，包括如下步驟:
[0008](I)將柔性基材根據所需目標器件尺寸進行剪裁,并對所述柔性基材進行清洗、干燥，確保所述柔性基材表面潔凈與干燥；接著，采用照相制版工藝在所述柔性基材上沉積電極層，所述電極層直接沉積在所述柔性基材表面，所述電極層為梳狀電極；
[0009](2)配制高分子聚合物PVDF溶液，將所述PVDF溶液充滿與高壓發生器正極相連的金屬噴嘴中；并且，在所述金屬噴嘴下方放置與高壓發生器地級相連的金屬陰極收集板，在所述收集板上放置沉積有所述電極層的所述柔性基材；所述金屬噴嘴距離所述收集板的距離為2mm-10mm ;使所述高壓發生器產生1.2kV_2.1kV的電壓，所述柔性基材的移動速度為100mm/s-400mm/s,在所述電極層上沉積多條彼此之間互相平行的PVDF納米壓電纖維形成壓電纖維層；所述多條PVDF納米壓電纖維直接沉積在所述梳狀電極上，所述多條PVDF納米壓電纖維的軸向垂直于所述梳狀電極的梳齒方向，且所述多條PVDF納米壓電纖維的極化方向一致；
[0010](3)對所述多條PVDF納米壓電纖維進行切斷處理，隔行切斷所述梳狀電極相鄰梳齒之間的所述多條PVDF納米壓電纖維，以避免電荷抵消；接著，在所述多條PVDF納米壓電纖維上形成保護層，并干燥所述保護層。
[0011]作為本發明的進一步優選，所述步驟(2)中所述金屬噴嘴距離所述收集板的距離優選為2mm ;所述高壓發生器優選產生1.7kV的電壓，所述柔性基材的移動速度優選為200mm/so
[0012]作為本發明的進一步優選，所述柔性基材為聚酯薄膜PET或聚酰亞胺薄膜PI。
[0013]作為本發明的進一步優選，所述步驟(2)中的多條PVDF納米壓電纖維是按矩形狀軌跡先后沉積的。
[0014]作為本發明的進一步優選，所述步驟(3)中的保護層為聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0015]在本發明所構思的以上技術方案中，由于靜電紡絲時，基材運動的方向垂直于電場方向，通過選擇合適的基材運動速度，利用紡絲纖維和基板的黏合力可以實現對纖維沉積的快速定位，尤其對于纖維陣列(如多條纖維等)，可以實現在基板高速運動速度下的定位和沉積，使纖維陣列排列整齊；而另一方面，通過選擇合適的電場強度(對應于電壓值、金屬噴嘴與收集板間的間距參數)，由于電場對射流的拉伸，在電場力和基板拉力的共同作用下，促使PVDF纖維中無壓電效應的α晶相向β晶相轉化，在紡絲結束后，無須額外工藝即可保證纖維的高極化程度。另外，通過對基材運動方向和電場方向的控制，可以隨意控制纖維的極化方向，得到理想的纖維圖案。通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相t匕，由于通過對柔性基材的具體材料進行驗證，并經多次實驗驗證選擇合適的靜電紡絲參數(如基板移動速度、電壓值、金屬噴嘴與收集板間的間距)，無需對紡絲纖維進行單獨極化即可制備得到壓電纖維，能夠取得簡化納米壓電纖維能量捕獲器件制備工藝、使纖維排列整齊、減小纖維缺陷、并提高能量轉換效率(尤其是對彎曲運動能量的捕獲)的有益效果O
[0016]按照本發明的另一個方面，提供了根據上述方法制備得到的一種基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件，其特征在于，自下而上依次包括:柔性基材、電極層、壓電纖維層、保護層；所述柔性基材為柔性絕緣塑料薄膜；所述壓電纖維層為多條彼此之間互相平行的PVDF納米壓電纖維，并且所述多條PVDF納米壓電纖維的極化方向一致；所述電極層為梳狀電極，所述多條PVDF納米壓電纖維直接沉積在所述電極層上，所述梳狀電極相鄰梳齒之間的所述多條PVDF納米壓電纖維被隔行切斷。
[0017]作為本發明的進一步優選，所述柔性基材為聚酯薄膜PET或聚酰亞胺薄膜PI。
[0018]作為本發明的進一步優選，所述電極層為銅、鋁或碳納米管。
[0019]作為本發明的進一步優選，所述保護層為聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0020]通過本發明所構思的以上技術方案，與現有技術相比，由于采用柔性基材，并選擇合適的靜電紡絲參數，無需對紡絲纖維進行單獨極化，能夠取得使纖維排列整齊、缺陷少，并提高器件能量轉換效率(尤其是對彎曲運動能量的捕獲)的有益效果。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0021]圖1是基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件的結構示意圖，其中I為柔性基材，2為電極層，3壓電纖維層，4為保護層；
[0022]圖2是PVDF納米壓電纖維的沉積軌跡的俯視圖；
[0023]圖3是纖維陣列的側視圖，圖3中平行于PVDF纖維的箭頭表示壓電纖維的極化方向；
[0024]圖4是采用半導體測試儀針對實施例1測得的彎曲應變循環下的電流信號輸出。
【具體實施方式】
[0025]為了使本發明的目的、技術方案及優點更加清楚明白，以下結合附圖及實施例，對本發明進行進一步詳細說明。應當理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發明，并不用于限定本發明。
[0026]實施例1
[0027]如圖1所述，該基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件自下而上依次包括柔性基材1、電極層2、壓電纖維層3、封裝保護層4，其中柔性基材I為PET薄膜，電極層2為銅，壓電纖維層3為PVDF纖維，封裝保護層4為聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0028]該基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件的制備方法包括如下步驟:
[0029](I)將PET薄膜根據所需目標器件尺寸進行剪裁，PET薄膜長為40mm，寬20mm，厚度0.12mm ;然后，對所述PET薄膜進行清洗、干燥，確保所述PET薄膜表面潔凈與干燥；接著，在所述PET薄膜上貼敷一層銅箔，再采用照相制版工藝在所述PET薄膜上沉積梳狀電極層(即，首先制造梳狀電極掩模，再在銅箔上涂敷一層光刻膠；接著采用紫外曝光將掩模上的圖案映射在光刻膠上，然后經過顯影將多余的光刻膠去除、只剩目標梳狀電極位置上留有光刻膠；再經過刻蝕，將沒有光刻膠覆蓋保護區域的銅箔清理掉，這樣就直接在PET薄膜上形成了梳狀電極；最后再清除掉表面的光刻膠，并用去離子水清洗、干燥)；
[0030](2)配制高分子聚合物PVDF溶液，PVDF溶液質量百分濃度為18%，PVDF為Kynar760型，將所述PVDF溶液充滿與高壓發生器正極相連的金屬噴嘴中；并且，在所述金屬噴嘴下方放置與高壓發生器地級相連的金屬陰極收集板，在所述收集板上放置沉積有所述電極層的所述柔性基材；所述金屬噴嘴距離所述收集板的距離為2mm ;使所述高壓發生器產生1.7kV的電壓,所述PET薄膜的移動速度為200mm/s,移動方向垂直于電場方向；在所述電極層上沉積多條彼此之間互相平行的PVDF納米壓電纖維形成壓電纖維層；所述多條PVDF納米壓電纖維直接沉積在所述梳狀電極上，所述多條PVDF納米壓電纖維的軸向垂直于所述梳狀電極的梳齒方向，且所述多條PVDF納米壓電纖維的極化方向一致；PVDF納米壓電纖維的沉積軌跡如圖2所示；
[0031](3)對所述多條PVDF納米壓電纖維進行切斷處理，隔行切斷所述梳狀電極相鄰梳齒之間的所述多條PVDF納米壓電纖維，以避免電荷抵消(如圖3所示)；接著，在所述多條PVDF納米壓電纖維上澆注PDMS溶液，進行加熱處理，形成干燥的PDMS保護層。
[0032]采用曲柄滑塊機構，行程為8mm，對器件進行循環拉伸，其彎曲應變循環下的電流信號輸出如圖4所示。
[0033]實施例2
[0034]如圖1所述，該基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件自下而上依次包括柔性基材1、電極層2、壓電纖維層3、封裝保護層4，其中柔性基材I為PI薄膜，電極層2為銅，壓電纖維層3為PVDF纖維，封裝保護層4為聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0035]該基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件的制備方法包括如下步驟:
[0036](I)將PI薄膜根據所需目標器件尺寸進行剪裁，PI薄膜長為40mm，寬20mm，厚度0.12mm ;然后，對所述PI薄膜進行清洗、干燥，確保所述PI薄膜表面潔凈與干燥；接著，在所述PI薄膜上蒸鍍一層銅箔，再采用照相制版工藝在所述PI薄膜上沉積梳狀電極層(即，首先制造梳狀電極掩模，再在銅箔上涂敷一層光刻膠；接著采用紫外曝光將掩模上的圖案映射在光刻膠上，然后經過顯影將多余的光刻膠去除、只剩目標梳狀電極位置上留有光刻膠；再經過刻蝕，將沒有光刻膠覆蓋保護區域的銅箔清理掉，這樣就直接在PI薄膜上形成了梳狀電極；最后再清除掉表面的光刻膠，并用去離子水清洗、干燥；
[0037](2)配制高分子聚合物PVDF溶液，PVDF溶液質量百分濃度為18%，PVDF為Kynar760型，將所述PVDF溶液充滿與高壓發生器正極相連的金屬噴嘴中；并且，在所述金屬噴嘴下方放置與高壓發生器地級相連的金屬陰極收集板，在所述收集板上放置沉積有所述電極層的所述PI薄膜；所述金屬噴嘴距離所述收集板的距離為2mm ;使所述高壓發生器產生1.7kV的電壓,所述PI薄膜的移動速度為200mm/s,移動方向垂直于電場方向；在所述電極層上沉積多條彼此之間互相平行的PVDF納米壓電纖維形成壓電纖維層；所述多條PVDF納米壓電纖維直接沉積在所述梳狀電極上，所述多條PVDF納米壓電纖維的軸向垂直于所述梳狀電極的梳齒方向，且所述多條PVDF納米壓電纖維的極化方向一致；PVDF納米壓電纖維的沉積軌跡如圖2所示；
[0038](3)對所述多條PVDF納米壓電纖維進行切斷處理，隔行切斷所述梳狀電極相鄰梳齒之間的所述多條PVDF納米壓電纖維，以避免電荷抵消(如圖3所示)；接著，在所述多條PVDF納米壓電纖維上澆注PDMS溶液，并進行加熱處理，形成干燥的PDMS保護層。
[0039]實施例3
[0040]如圖1所述，該基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件自下而上依次包括柔性基材1、電極層2、壓電纖維層3、封裝保護層4，其中柔性基材I為PET薄膜，電極層2為銅，壓電纖維層3為PVDF纖維，封裝保護層4為聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0041]該基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件的制備方法包括如下步驟:
[0042](I)將PET薄膜根據所需目標器件尺寸進行剪裁，PET薄膜長為40mm，寬20mm，厚度0.12mm ;然后，對所述PET薄膜進行清洗、干燥，確保所述PET薄膜表面潔凈與干燥；接著，在所述PET薄膜上貼敷一層銅箔，再采用照相制版工藝在所述PET薄膜上沉積梳狀電極層(即，首先制造梳狀電極掩模，再在銅箔上涂敷一層光刻膠；接著采用紫外曝光將掩模上的圖案映射在光刻膠上，然后經過顯影將多余的光刻膠去除、只剩目標梳狀電極位置上留有光刻膠；再經過刻蝕，將沒有光刻膠覆蓋保護區域的銅箔清理掉，這樣就直接在PET薄膜上形成了梳狀電極；最后再清除掉表面的光刻膠，并用去離子水清洗、干燥)；
[0043](2)配制高分子聚合物PVDF溶液，PVDF溶液質量百分濃度為18%，PVDF為Kynar760型，將所述PVDF溶液充滿與高壓發生器正極相連的金屬噴嘴中；并且，在所述金屬噴嘴下方放置與高壓發生器地級相連的金屬陰極收集板，在所述收集板上放置沉積有所述電極層的所述柔性基材；所述金屬噴嘴距離所述收集板的距離為2mm ;使所述高壓發生器產生2.1kV的電壓,所述PET薄膜的移動速度為400mm/s,移動方向垂直于電場方向；在所述電極層上沉積多條彼此之間互相平行的PVDF納米壓電纖維形成壓電纖維層；所述多條PVDF納米壓電纖維直接沉積在所述梳狀電極上，所述多條PVDF納米壓電纖維的軸向垂直于所述梳狀電極的梳齒方向，且所述多條PVDF納米壓電纖維的極化方向一致；PVDF納米壓電纖維的沉積軌跡如圖2所示；
[0044](3)對所述多條PVDF納米壓電纖維進行切斷處理，隔行切斷所述梳狀電極相鄰梳齒之間的所述多條PVDF納米壓電纖維，以避免電荷抵消(如圖3所示)；接著，在所述多條PVDF納米壓電纖維上澆注PDMS溶液，進行加熱處理，形成干燥的PDMS保護層。
[0045]實施例4
[0046]如圖1所述，該基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件自下而上依次包括柔性基材1、電極層2、壓電纖維層3、封裝保護層4，其中柔性基材I為PI薄膜，電極層2為銅，壓電纖維層3為PVDF纖維，封裝保護層4為聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0047]該基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件的制備方法包括如下步驟:
[0048](I)將PI薄膜根據所需目標器件尺寸進行剪裁，PI薄膜長為40mm，寬20mm，厚度0.12mm ;然后，對所述PI薄膜進行清洗、干燥，確保所述PI薄膜表面潔凈與干燥；接著，在所述PI薄膜上蒸鍍一層銅箔，再采用照相制版工藝在所述PI薄膜上沉積梳狀電極層(即，首先制造梳狀電極掩模，再在銅箔上涂敷一層光刻膠；接著采用紫外曝光將掩模上的圖案映射在光刻膠上，然后經過顯影將多余的光刻膠去除、只剩目標梳狀電極位置上留有光刻膠；再經過刻蝕，將沒有光刻膠覆蓋保護區域的銅箔清理掉，這樣就直接在PI薄膜上形成了梳狀電極；最后再清除掉表面的光刻膠，并用去離子水清洗、干燥；
[0049](2)配制高分子聚合物PVDF溶液，PVDF溶液質量百分濃度為18%，PVDF為Kynar760型，將所述PVDF溶液充滿與高壓發生器正極相連的金屬噴嘴中；并且，在所述金屬噴嘴下方放置與高壓發生器地級相連的金屬陰極收集板，在所述收集板上放置沉積有所述電極層的所述PI薄膜；所述金屬噴嘴距離所述收集板的距離為2mm ;使所述高壓發生器產生1.2kV的電壓,所述PI薄膜的移動速度為100mm/s,移動方向垂直于電場方向；在所述電極層上沉積多條彼此之間互相平行的PVDF納米壓電纖維形成壓電纖維層；所述多條PVDF納米壓電纖維直接沉積在所述梳狀電極上，所述多條PVDF納米壓電纖維的軸向垂直于所述梳狀電極的梳齒方向，且所述多條PVDF納米壓電纖維的極化方向一致；PVDF納米壓電纖維的沉積軌跡如圖2所示；
[0050](3)對所述多條PVDF納米壓電纖維進行切斷處理，隔行切斷所述梳狀電極相鄰梳齒之間的所述多條PVDF納米壓電纖維，以避免電荷抵消(如圖3所示)；接著，在所述多條PVDF納米壓電纖維上澆注PDMS溶液，并進行加熱處理，形成干燥的PDMS保護層。
[0051]實施例5
[0052]如圖1所述，該基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件自下而上依次包括柔性基材1、電極層2、壓電纖維層3、封裝保護層4，其中柔性基材I為PET薄膜，電極層2為銅，壓電纖維層3為PVDF纖維，封裝保護層4為聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0053]該基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件的制備方法包括如下步驟:
[0054](I)將PET薄膜根據所需目標器件尺寸進行剪裁，PET薄膜長為40mm，寬20mm，厚度0.12mm ;然后，對所述PET薄膜進行清洗、干燥，確保所述PET薄膜表面潔凈與干燥；接著，在所述PET薄膜上貼敷一層銅箔，再采用照相制版工藝在所述PET薄膜上沉積梳狀電極層(即，首先制造梳狀電極掩模，再在銅箔上涂敷一層光刻膠；接著采用紫外曝光將掩模上的圖案映射在光刻膠上，然后經過顯影將多余的光刻膠去除、只剩目標梳狀電極位置上留有光刻膠；再經過刻蝕，將沒有光刻膠覆蓋保護區域的銅箔清理掉，這樣就直接在PET薄膜上形成了梳狀電極；最后再清除掉表面的光刻膠，并用去離子水清洗、干燥)；
[0055](2)配制高分子聚合物PVDF溶液，PVDF溶液質量百分濃度為18%，PVDF為Kynar760型，將所述PVDF溶液充滿與高壓發生器正極相連的金屬噴嘴中；并且，在所述金屬噴嘴下方放置與高壓發生器地級相連的金屬陰極收集板，在所述收集板上放置沉積有所述電極層的所述柔性基材；所述金屬噴嘴距離所述收集板的距離為1mm;使所述高壓發生器產生2.1kV的電壓,所述PET薄膜的移動速度為200mm/s,移動方向垂直于電場方向；在所述電極層上沉積多條彼此之間互相平行的PVDF納米壓電纖維形成壓電纖維層；所述多條PVDF納米壓電纖維直接沉積在所述梳狀電極上，所述多條PVDF納米壓電纖維的軸向垂直于所述梳狀電極的梳齒方向，且所述多條PVDF納米壓電纖維的極化方向一致；PVDF納米壓電纖維的沉積軌跡如圖2所示；
[0056](3)對所述多條PVDF納米壓電纖維進行切斷處理，隔行切斷所述梳狀電極相鄰梳齒之間的所述多條PVDF納米壓電纖維，以避免電荷抵消(如圖3所示)；接著，在所述多條PVDF納米壓電纖維上澆注PDMS溶液，進行加熱處理，形成干燥的PDMS保護層。
[0057]實施例6
[0058]如圖1所述，該基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件自下而上依次包括柔性基材1、電極層2、壓電纖維層3、封裝保護層4，其中柔性基材I為PI薄膜，電極層2為銅，壓電纖維層3為PVDF纖維，封裝保護層4為聚二甲基硅氧烷PDMS。
[0059]該基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件的制備方法包括如下步驟:
[0060](I)將PI薄膜根據所需目標器件尺寸進行剪裁，PI薄膜長為40mm，寬20mm，厚度0.12mm ;然后，對所述PI薄膜進行清洗、干燥，確保所述PI薄膜表面潔凈與干燥；接著，在所述PI薄膜上蒸鍍一層銅箔，再采用照相制版工藝在所述PI薄膜上沉積梳狀電極層(即，首先制造梳狀電極掩模，再在銅箔上涂敷一層光刻膠；接著采用紫外曝光將掩模上的圖案映射在光刻膠上，然后經過顯影將多余的光刻膠去除、只剩目標梳狀電極位置上留有光刻膠；再經過刻蝕，將沒有光刻膠覆蓋保護區域的銅箔清理掉，這樣就直接在PI薄膜上形成了梳狀電極；最后再清除掉表面的光刻膠，并用去離子水清洗、干燥；
[0061](2)配制高分子聚合物PVDF溶液，PVDF溶液質量百分濃度為18%，PVDF為Kynar760型，將所述PVDF溶液充滿與高壓發生器正極相連的金屬噴嘴中；并且，在所述金屬噴嘴下方放置與高壓發生器地級相連的金屬陰極收集板，在所述收集板上放置沉積有所述電極層的所述PI薄膜；所述金屬噴嘴距離所述收集板的距離為1mm;使所述高壓發生器產生1.2kV的電壓,所述PI薄膜的移動速度為100mm/s,移動方向垂直于電場方向；在所述電極層上沉積多條彼此之間互相平行的PVDF納米壓電纖維形成壓電纖維層；所述多條PVDF納米壓電纖維直接沉積在所述梳狀電極上，所述多條PVDF納米壓電纖維的軸向垂直于所述梳狀電極的梳齒方向，且所述多條PVDF納米壓電纖維的極化方向一致；PVDF納米壓電纖維的沉積軌跡如圖2所示；
[0062](3)對所述多條PVDF納米壓電纖維進行切斷處理，隔行切斷所述梳狀電極相鄰梳齒之間的所述多條PVDF納米壓電纖維，以避免電荷抵消(如圖3所示)；接著，在所述多條PVDF納米壓電纖維上澆注PDMS溶液，并進行加熱處理，形成干燥的PDMS保護層。
[0063]在上述實施例中，對于纖維的制造中，其工藝參數可以根據試驗進行調整，上述例子只為具體說明。實際工作中，其工藝參數(如:電壓、金屬噴嘴距離收集板的距離、基板移動速度等)在保持穩定噴射的前提下取值在一定范圍內，針對18%的PVDF溶液質量百分濃度，所述金屬噴嘴距離所述收集板的距離為2mm-10mm ;所述高壓發生器產生1.2kV_2.1kV的電壓，所述柔性基材的移動速度為10mm/s-400mm/so
[0064]本領域的技術人員容易理解，以上所述僅為本發明的較佳實施例而已，并不用以限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內所作的任何修改、等同替換和改進等，均應包含在本發明的保護范圍之內。
【權利要求】
1.一種基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件的制備方法，其特征在于，包括如下步驟: (1)將柔性基材根據所需目標器件尺寸進行剪裁，并對所述柔性基材進行清洗、干燥，確保所述柔性基材表面潔凈與干燥；接著，采用照相制版工藝在所述柔性基材上沉積電極層，所述電極層直接沉積在所述柔性基材表面，所述電極層為梳狀電極； (2)配制高分子聚合物PVDF溶液，將所述PVDF溶液充滿與高壓發生器正極相連的金屬噴嘴中；并且，在所述金屬噴嘴下方放置與高壓發生器地級相連的金屬陰極收集板，在所述收集板上放置沉積有所述電極層的所述柔性基材；所述金屬噴嘴距離所述收集板的距離為2mm-10mm ;使所述高壓發生器產生1.2kV_2.1kV的電壓，所述柔性基材的移動速度為100mm/s-400mm/s,在所述電極層上沉積多條彼此之間互相平行的PVDF納米壓電纖維形成壓電纖維層；所述多條PVDF納米壓電纖維直接沉積在所述梳狀電極上，所述多條PVDF納米壓電纖維的軸向垂直于所述梳狀電極的梳齒方向，且所述多條PVDF納米壓電纖維的極化方向一致； (3)對所述多條PVDF納米壓電纖維進行切斷處理，隔行切斷所述梳狀電極相鄰梳齒之間的所述多條PVDF納米壓電纖維，以避免電荷抵消；接著，在所述多條PVDF納米壓電纖維上形成保護層，并干燥所述保護層。
2.如權利要求1所述的基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中所述金屬噴嘴距離所述收集板的距離優選為2mm;所述高壓發生器優選產生1.7kV的電壓，所述柔性基材的移動速度優選為200mm/s。
3.如權利要求1所述的基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件的制備方法，其特征在于，所述柔性基材優選為聚酯薄膜PET或聚酰亞胺薄膜PI。
4.如權利要求1所述的基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件的制備方法，其特征在于，所述步驟(2)中的多條PVDF納米壓電纖維是按矩形狀軌跡先后沉積的。
5.如權利要求1一 4所述的基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件的制備方法，其特征在于，所述步驟(3)中的保護層優選為聚二甲基硅氧烷PDMS。
6.如權利要求1所述制備方法制備得到的基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件，其特征在于，自下而上依次包括:柔性基材、電極層、壓電纖維層、保護層；所述柔性基材為柔性絕緣塑料薄膜；所述壓電纖維層為多條彼此之間互相平行的PVDF納米壓電纖維，并且所述多條PVDF納米壓電纖維的極化方向一致；所述電極層為梳狀電極，所述多條PVDF納米壓電纖維直接沉積在所述電極層上，所述梳狀電極相鄰梳齒之間的所述多條PVDF納米壓電纖維被隔行切斷。
7.如權利要求6所述的基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件，其特征在于，所述柔性基材為聚酯薄膜PET或聚酰亞胺薄膜PI。
8.如權利要求6所述的基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件，其特征在于，所述電極層為銅、鋁或碳納米管。
9.如權利要求6所述的基于納米壓電纖維的柔性能量捕獲器件，其特征在于，所述保護層為聚二甲基硅氧烷PDMS。
【文檔編號】B81C1/00GK104291264SQ201410554042
【公開日】2015年1月21日 申請日期:2014年10月17日 優先權日:2014年10月17日
【發明者】布寧斌, 黃永安, 尹周平, 丁亞江, 王小梅, 段永青 申請人:華中科技大學