發(fā)明屬于機(jī)電轉(zhuǎn)換元件制備
技術(shù)領(lǐng)域：
：，具體是制備一種基于靜電自組裝的壓電纖維短棒與pdms復(fù)合的免極化機(jī)電轉(zhuǎn)換元件。
背景技術(shù)：
：：在全球變暖和能源危機(jī)日益嚴(yán)峻的形勢下，對于綠色可再生能源的探索成為維持人類文明可持續(xù)發(fā)展最為緊迫的挑戰(zhàn)之一。一些具有機(jī)電耦合效應(yīng)的材料可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能之間的轉(zhuǎn)換，廣泛地被應(yīng)用于制備傳感器、驅(qū)動器、換能器和能量回收等器件，在航空、信息、生物、傳感等領(lǐng)域有著十分重要的應(yīng)用。例如壓電型機(jī)電轉(zhuǎn)換元件，目前應(yīng)用于器件中的鐵電材料，在低于居里溫度時(shí)，通常有多個(gè)不同的自發(fā)極化取向，需要通過外電場對鐵電材料進(jìn)行高壓極化使其具有一致的極化取向，才能夠?qū)⑵渫度胧褂?。但是，鐵電材料在使用過程中會產(chǎn)生退極化，鐵電性能逐漸衰弱，需要重新極化才能繼續(xù)工作。然而，當(dāng)鐵電材料具有較大矯頑場，低的擊穿電壓，或者實(shí)際服役環(huán)境難以滿足極化的條件的時(shí)候，極化成為難題。因此，探索制備免極化高輸出機(jī)電轉(zhuǎn)換元件具有重要意義。自組裝是自然界存在的一個(gè)普遍現(xiàn)象，是一種由簡單到復(fù)雜、由無序到有序、由多組分收斂到單一組分的不斷自我修正、自我完善的自發(fā)過程，避免了一些人為誤差干擾；某種意義上自組裝產(chǎn)物的缺陷程度是最低的，因?yàn)樽越M裝的過程是自發(fā)的，即各個(gè)組份之間就是按照最佳的結(jié)構(gòu)和組合方式組裝的。研究表明，內(nèi)部驅(qū)動力是實(shí)現(xiàn)自組裝的關(guān)鍵，包括范德華力、氫鍵、靜電力等只能作用于分子水平的非共價(jià)鍵力和那些能作用于較大尺寸范圍的力，如表面張力、重力、離心力、毛細(xì)管力等。目前自組裝器件主要有光電器件、化學(xué)傳感器、生物傳感器、藥物載體、電化學(xué)功能電極等。目前尚未出現(xiàn)通過自組裝實(shí)現(xiàn)的免極化機(jī)電轉(zhuǎn)換元件。秦勇課題組研磨了靜電紡絲和熱處理后的bzt-bct纖維，并通過旋涂法及后續(xù)極化過程制備bzt-bct/pdms磁力驅(qū)動機(jī)電轉(zhuǎn)換元件，但對纖維棒的長度以及壓電層的厚度都沒有明確規(guī)定。(licheng，miaomiaoyuan，longguetc.wirelesspower-freeandimplantablenanosystemforresistance-basedbiodetection.nanoenergy(2015)15，598–606)本發(fā)明所提出的免極化壓電基機(jī)電轉(zhuǎn)換元件與傳統(tǒng)的壓電轉(zhuǎn)換元件相比具有很大的優(yōu)勢：特有的厚度為150～200um，長度為2～3um壓電纖維短棒自組裝結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過控制研磨時(shí)間使纖維棒長度維持在2～3um，這個(gè)尺寸恰好形成微觀單疇結(jié)構(gòu)，且疇向沿纖維棒直徑方向產(chǎn)生自發(fā)極化；通過控制旋涂轉(zhuǎn)速，使壓電層厚度維持在幾百微米之間，在重力和離心力的協(xié)同作用下，壓電纖維棒在液態(tài)聚二甲基硅氧烷中分散均勻，纖維棒的長度方向與基底平行。同時(shí)在靜電力的作用下，纖維棒之間自組裝。且壓電層的厚度適中，便于電荷的有效導(dǎo)出。本發(fā)明所提出的免極化壓電基機(jī)電轉(zhuǎn)換元件與傳統(tǒng)的壓電機(jī)電轉(zhuǎn)換元件相比具有很大的優(yōu)勢：傳統(tǒng)的壓電材料在使用前需要進(jìn)行極化且在使用過程中存在退極化問題，影響元件性能和壽命。而本發(fā)明提出的撓曲電壓電材料體系不需要這一過程，且該方法簡單有效，工藝重復(fù)性好，操作性強(qiáng)。技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：技術(shù)問題：本發(fā)明提供了一種基于靜電自組裝的免極化的柔性機(jī)電轉(zhuǎn)換元件的制備方法。對比需直流高壓加熱極化數(shù)小時(shí)的機(jī)電轉(zhuǎn)換元件制備過，生產(chǎn)效率大大提高，更加高效環(huán)保；解決了當(dāng)鐵電材料具有較大矯頑場，低的擊穿電壓，或者實(shí)際服役環(huán)境難以滿足極化的條件如極化溫度的時(shí)候，難以極化的難題；能夠極大地減小退極化效應(yīng)，大大提高了機(jī)電轉(zhuǎn)換元件的使用壽命。技術(shù)方案：本發(fā)明的一種免極化高輸出柔性壓電基機(jī)電轉(zhuǎn)換元件制備方法具體步驟如下：步驟1、采用溶膠-凝膠法和靜電紡絲法制備壓電纖維，步驟2、對壓電纖維進(jìn)行熱處理，步驟3、將經(jīng)靜電紡絲及熱處理后的壓電纖維研磨成短纖維棒，步驟4、壓電短纖維與聚二甲基硅氧烷pdms混合作為壓電復(fù)合材料，即機(jī)電轉(zhuǎn)換元件的主體材料；步驟5、在基底鍍上電極，在底電極上用銀漿固定導(dǎo)線并引出，之后旋涂高分子封裝材料，固化0.2～0.5h；步驟6、在鍍上電極和旋涂了高分子介電層的基底上，旋涂一層所述壓電復(fù)合材料；步驟7、在另一片基底上鍍上電極，電極上旋涂一層高分子封裝材料，固化0.2～0.5h，利用殘余粘性粘貼到步驟6制備的壓電相上，固化0.2h～0.5h，固化時(shí)利用重物壓住器件，使之界面牢固結(jié)合。其中：步驟3中研磨時(shí)間為0.5～1h，使得纖維棒的長度為2～3um，以保持較單一的自發(fā)極化取向。步驟4中所述的將靜電紡絲及熱處理后的壓電纖維研磨成短纖維棒后與pdms混合，其混合的質(zhì)量比是：1:5～1:10之間。步驟6中所述的旋涂，其轉(zhuǎn)速控制在800r～1000r，旋涂時(shí)間為50s～60s，在重力和離心力的協(xié)同作用下，壓電纖維棒在液態(tài)聚二甲基硅氧烷中分散均勻，且纖維棒的長度方向與基底平行，且在靜電力的作用下，纖維棒之間自組裝并產(chǎn)生自發(fā)極化，使得制備的壓電層厚度為幾百微米，厚度適中，便于電荷的有效導(dǎo)出。所述的壓電纖維可以是pb(zr1-xtix)o3基、batio3基或(kxna1-x)nbo3基的多種無機(jī)壓電纖維材料。有益效果：本發(fā)明制備的機(jī)電轉(zhuǎn)換元件無需極化即可產(chǎn)生電壓，單個(gè)器件受到形變作用時(shí)，輸出電壓最大可達(dá)10v，電流約達(dá)到40na，工作多天電壓未有明顯衰減，能夠在多種變形彎曲/按壓/振動下都能夠工作。對比需直流高壓加熱極化數(shù)小時(shí)的機(jī)電轉(zhuǎn)換元件制備過，生產(chǎn)效率大大提高，更加高效環(huán)保；解決了當(dāng)鐵電材料具有較大矯頑場，低的擊穿電壓，或者實(shí)際服役環(huán)境難以滿足極化的條件如極化溫度的時(shí)候，難以極化的難題；能夠極大地減小退極化效應(yīng)，大大提高了機(jī)電轉(zhuǎn)換元件的使用壽命。該方法簡單有效，可進(jìn)行大批量生產(chǎn)，在mems、納米發(fā)電機(jī)、應(yīng)力應(yīng)變傳感器等領(lǐng)域具有很好的應(yīng)用前景。附圖說明圖1是壓電纖維三維圖和pfm振幅相位圖，可以看出纖維展現(xiàn)出一致的向上自發(fā)極化取向。圖2是旋涂前后壓電纖維棒的排布情況對比圖，可以看出旋涂之前自極化的壓電纖維棒混亂排布，控制旋涂轉(zhuǎn)速后，纖維棒的長度方向與基底平行，自組裝為免極化機(jī)電轉(zhuǎn)換元件。圖3是本發(fā)明機(jī)電轉(zhuǎn)換元件外接不同負(fù)載時(shí)的電壓和功率輸出圖，當(dāng)外接負(fù)載為1000mω及以上時(shí)，電壓達(dá)到10v。最大功率約為130nw。具體實(shí)施方式本發(fā)明的免極化機(jī)電轉(zhuǎn)換元件的制備方法，包括如下關(guān)鍵步驟：通過控制研磨時(shí)間，將靜電紡絲及熱處理后的無機(jī)壓電纖維織物研磨為2～3um長的壓電纖維棒；將壓電纖維棒與pdms按一定配比均勻復(fù)合，作為壓電相，制備基底/上電極—壓電相—下電極/基底的“三明治”結(jié)構(gòu)的機(jī)電轉(zhuǎn)換元件，其中通過控制旋涂轉(zhuǎn)速得到厚度為幾百微米左右的壓電層。纖維棒與pdms均勻復(fù)合后，在較快的旋涂過程中，纖維棒最穩(wěn)定狀態(tài)是平躺在基底上。纖維材料可以是pb(zr1-xtix)o3基、batio3基、(kxna1-x)nbo3基的多種無機(jī)壓電纖維材料，但不限于這些，所有利用該方法制備的免極化壓電纖維都屬于本專利權(quán)利保護(hù)之內(nèi)。下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對本發(fā)明做更進(jìn)一步的解釋。下列實(shí)施例僅用pzt壓電纖維來說明本發(fā)明，但并不用來限定發(fā)明的實(shí)施范圍。實(shí)施例1步驟1、采用溶膠-凝膠法和靜電紡絲法制備pzt紡絲前驅(qū)體溶液。以無水乙醇、乙酰丙酮和乙酸組成混合溶液，按照zr：ti比為52：48的化學(xué)計(jì)量比先后稱取鈦酸四丁酯、乙酰丙酮鋯、堿式乙酸鉛，最后按照0.35～0.45g/ml加入聚乙烯吡咯烷酮(pvp)使溶液具有合適粘度，放于磁力攪拌臺上攪拌至溶液混合均勻，形成穩(wěn)定、澄清、透明、具有合適粘度的pzt靜電紡絲前驅(qū)體。把3ml前驅(qū)體溶液加入到5ml的注射器中，使用直徑0.6mm的針頭，將針頭通過導(dǎo)管與注射器連接，并將注射器固定在注射泵上，將高壓電源的輸出端接在針頭上，將地線與滾筒連接，控制紡絲環(huán)境濕度小于30％，溫度為32～38℃。設(shè)置溶膠的流速為0.03～0.08ml/min，滾筒的轉(zhuǎn)速約為600～800r/min，高壓電源的輸出電壓為15～30kv，針頭距滾筒表面最短距離為15～30cm，紡絲時(shí)間為2小時(shí)左右。步驟2、纖維熱處理工藝過程如下：升溫速率為2℃/min。，在38℃、282℃各保溫半小時(shí)，隨后升溫至650℃后并保溫1小時(shí)，后隨爐冷卻，得到平整的淡黃色鋯鈦酸鉛壓電纖維。步驟3、現(xiàn)在研缽中加入微量酒精，將手工捏碎的纖維織物倒入研缽中，研磨1h左右，使得微觀上纖維棒的長度保持在2～3um之間。步驟4、按質(zhì)量比1:10將pzt纖維棒與pdms均勻復(fù)合成為液態(tài)壓電相。步驟5、將兩片相同的聚對苯二甲酸乙二酯基底用丙酮、乙醇、去離子水超聲清洗之后烘干，利用磁控濺射工藝在兩片基底的一面濺射銅，作為頂電極和底電極。其中濺射工藝參數(shù)如下：本底真空6.4×10-4～6.6×10-4pa，濺射氣體為高純氬氣，工作氣壓0.2～0.5pa，ar/sccm25～35，濺射功率為48～52w，濺射時(shí)間為3～6分鐘。在頂電極和底電極一端涂刷銀漿，固定銅導(dǎo)線并引出。銅導(dǎo)線作為機(jī)電轉(zhuǎn)換元件正負(fù)電荷輸出端口。步驟6、在頂電極上旋涂一層pdms，固化0.2～0.5h，再以800r/min～1000r/min的轉(zhuǎn)速維持50s～60s，旋涂pzt/pdms壓電復(fù)合相，在60～80℃下固化。步驟7、在底電極上旋涂一層pdms，固化0.2h，利用殘余粘性粘貼到壓電復(fù)合相上，固化0.2h左右，固化時(shí)利用重物壓住器件，使之界面牢固結(jié)合。以上對本發(fā)明所提供的一種無需極化高輸出柔性機(jī)電轉(zhuǎn)換元件及其制備方法進(jìn)行了詳細(xì)介紹，以上參照附圖對本申請的示例性的實(shí)施方案進(jìn)行了描述。以上發(fā)明所用壓電材料并不限于使用鋯鈦酸鉛壓電纖維，還包括鋯鈦酸鋇鈣、鈮酸鉀鈉等壓電纖維。本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)該理解，上述實(shí)施方案僅僅是為了說明的目的而所舉的示例，而不是用來進(jìn)行限制，凡在本申請的教導(dǎo)和權(quán)利要求保護(hù)范圍下所作的任何修改、等同替換等，均應(yīng)包含在本申請要求保護(hù)的范圍內(nèi)。當(dāng)前第1頁12當(dāng)前第1頁12