本發(fā)明涉及能量收集器，尤其是涉及基于有序纖維基膜的ipmc能量收集器。

背景技術(shù)：

離子聚合物金屬復(fù)合物(ipmc)是在全氟磺酸樹脂(nafion)表面鍍上金屬鉑電極，形成一種“三明治”結(jié)構(gòu)的智能材料；ipmc在一定頻率(<100hz)的負(fù)載變形下，會在其厚度方向產(chǎn)生電壓和電流。

基于ipmc這種力電輸出特性，國內(nèi)外研究人員已開展ipmc的能量收集應(yīng)用研究，目前的研究主要集中于探索適合的能量收集模式，如美國紐約大學(xué)porfiri^[1]課題組將ipmc貼于柔性旗擺上，通過水流帶動旗幟擺動使ipmc產(chǎn)生變形來研究ipmc的能量輸出特性，但是目前ipmc功率輸出普遍較低，因此研究學(xué)者們致力于如何提高ipmc的能量輸出。

現(xiàn)有的ipmc基膜材料主要選用全氟磺酸樹脂基膜，該基膜主要通過流延工藝和澆鑄工藝進行制備。

參考文獻(xiàn)：

[1]giacomelloa.,porfirim.energyharvestingfromflutterinstabilitiesofheavyflagsinwaterthroughionicpolymermetalcomposites[c]//spiesmartstructuresandmaterialsnondestructiveevaluationandhealthmonitoring.internationalsocietyforopticsandphotonics,2011:797608-7976089。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是提供基于有序纖維基膜的離子聚合物金屬復(fù)合物(ipmc)能量收集器。

本發(fā)明設(shè)有全氟磺酸樹脂(nafion)有序纖維柱、聚二甲基硅氧烷(pdms)彈性殼體、金屬電極和陽離子溶液。

所述全氟磺酸樹脂(nafion)有序纖維柱外部包裹聚二甲基硅氧烷(pdms)彈性殼體，聚二甲基硅氧烷(pdms)彈性殼體外形呈階梯狀，全氟磺酸樹脂(nafion)有序纖維柱內(nèi)部充滿離子溶液，全氟磺酸樹脂(nafion)有序纖維柱內(nèi)部上下兩端分別與金屬電極相連。

當(dāng)全氟磺酸樹脂(nafion)有序纖維柱受壓變形時，纖維柱內(nèi)陽離子發(fā)生遷移，導(dǎo)致纖維柱內(nèi)局部陽離子濃度發(fā)生改變，在纖維柱兩端產(chǎn)生電勢差。

所述彈性殼體材料包裹于纖維柱四周，彈性殼體可反復(fù)變形且不易損壞，解決了nafion纖維柱變形回彈性差的問題。

所述金屬電極與纖維柱兩端直接相連，用于外部電路的連接，通過導(dǎo)線連接外部設(shè)備，實現(xiàn)能量收集過程。

現(xiàn)有的全氟磺酸樹脂基膜的內(nèi)部通道錯綜復(fù)雜不利于離子的傳輸，因此本發(fā)明提出采用有序纖維基膜制備ipmc能量收集器，利于ipmc內(nèi)部離子的傳輸，提高ipmc的能量輸出。

本發(fā)明的優(yōu)點在于：

(1)相比于傳統(tǒng)的ipmc器件，輸出功率提高。本發(fā)明通過使nafion基膜纖維化，使離子遷移具有方向性，縮短了陽離子的遷移路徑，提高了基膜的質(zhì)子電導(dǎo)率；

(2)由于ipmc工作過程需要水分，現(xiàn)有ipmc能量收集應(yīng)用主要局限在水環(huán)境中，本發(fā)明采用纖維封裝方式，實現(xiàn)ipmc能量收集在空氣環(huán)境中的應(yīng)用；

(3)相比于傳統(tǒng)的ipmc器件，由于采用彈性殼體，本發(fā)明可以承受較大負(fù)載力，負(fù)載頻率也得到提高；

(4)本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，易于實現(xiàn)；可用作微型能量收集裝置，環(huán)保、無噪聲、便攜。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實施例的結(jié)構(gòu)及尺寸參數(shù)。

具體實施方式

本發(fā)明基于有序纖維基膜的ipmc能量收集器實施例如圖1所示。

本發(fā)明設(shè)有nafion有序纖維柱1、pdms彈性殼體2、鉑電極3以及氯化鋰溶液4。能量收集器中心為nafion有序纖維柱1，纖維柱直徑4mm，高5mm，nafion纖維柱外部包裹pdms彈性殼體2，彈性殼體2外形呈階梯狀，總高5mm，階梯上端直徑6mm，下端直徑9mm，下端高3mm。纖維柱1上下兩端與鉑電極3相連，內(nèi)部充滿氯化鋰溶液4。鉑電極3與纖維柱1上下兩端直接相連，通過導(dǎo)線連接外部設(shè)備，實現(xiàn)能量收集。

所述的nafion有序纖維柱1采用靜電紡絲方法制得。電紡溶液為nafion與聚氧化乙烯(peo)的共混溶液，其濃度為99％，在電壓4kv、極間距50mm、供液速度150μl/h的條件下，電紡制得nafion有序纖維基膜。

所述的pdms彈性殼體2采用質(zhì)量比為25︰1的基體液與固化劑混合物，澆筑形成纖維柱的彈性外殼，此比例下制成的pdms殼體彈性適中，工作時驅(qū)動外力相對較小。同時，由于pdms本身是疏水材料，可以保持纖維柱中水分減緩流失。

所述的鉑電極3通過化學(xué)鍍的方法，將鉑氨溶液在纖維柱兩端還原生成鉑電極，由于鉑電極3直接通過化學(xué)反應(yīng)生成，保證了鉑電極3與纖維柱1的良好接觸且不易脫落。二次化學(xué)還原鍍的過程如下：

1、主化學(xué)還原鍍：

1)超聲清洗：將pdms彈性殼體2包裹的nafion纖維柱1超聲清洗30min，以去除纖維柱端面上附著的雜質(zhì)。

2)浸泡鉑銨溶液：配制0.01mol/l的[pt(nh3)4]cl2溶液(摩爾質(zhì)量為334g/mol)，稱取32mg鉑銨粉末，將鉑銨粉末溶解到去離子水中，配制成10ml鉑銨溶液。將nafion纖維柱1置于鉑銨溶液中浸泡24h。

3)配制還原劑：稱取2gnabh4晶體，配制成40ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的nabh4溶液。

4)主化學(xué)鍍過程：將恒溫水浴鍋預(yù)熱到40℃。用鑷子夾取纖維柱置于含180ml去離子水的燒杯中，向燒杯中滴加1ml氨水使溶液呈弱堿性，使用電動攪拌器低速攪拌，并同時進行水浴加熱。每隔30min向燒杯中滴加2mlnabh4溶液并同時升高溫度5℃，直至溫度升高到60℃。當(dāng)溫度升高到60℃時，一次性滴加20mlnabh4溶液，至少保持2h反應(yīng)時間，使nafion纖維中的pt離子能夠充分還原出來沉積在nafion纖維柱1的兩端。

5)超聲清洗：將完成主還原反應(yīng)鍍的nafion纖維柱1放入稀硫酸溶液中浸泡1h，超聲清洗30min。

2、次化學(xué)還原反應(yīng)鍍：

稱取20mg[pt(nh3)4]cl2粉末，將其溶解到60ml去離子水中，配制成鉑銨溶液，并向溶液中滴加0.5ml氨水。配制40ml質(zhì)量分?jǐn)?shù)為5％的氫氯羥胺(nh2oh·hcl)溶液和20ml體積分?jǐn)?shù)為20％的水合肼(n2h4·1.5h2o)溶液。將完成主化學(xué)還原反應(yīng)的纖維柱1放入到40℃的鉑銨溶液中，使用電動攪拌器低速攪拌。每隔30min向溶液中加入2ml氫氯羥胺溶液和1ml水合肼溶液，并升高溫度5℃，直至溫度升高到60℃。最后一次加入20ml氫氯羥胺溶液和10ml水合肼溶液，在60℃反應(yīng)2h，當(dāng)反應(yīng)結(jié)束后，先將器件在稀硫酸中浸泡1h，再在去離子水中超聲清洗30min，去除雜質(zhì)。

所述的能量收集器中的氯化鋰溶液4通過將電極制備完成后的能量收集器浸泡入濃度為1mol/l氯化鋰溶液，靜置24h后獲得。

通過上述方法形成的ipmc能量收集器，當(dāng)pdms彈性殼體2兩端受到外力作用時，彈性殼體2發(fā)生形變，使nafion纖維柱1體積發(fā)生變化，沿鋰離子沿纖維柱1方向發(fā)生遷移，進而在ipmc能量收集器兩端產(chǎn)生電壓；鉑電極3通過導(dǎo)線連接在外部設(shè)備上，實現(xiàn)能量收集與儲存。