本發(fā)明涉及電源技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種碳基應(yīng)變電源的制備方法。
背景技術(shù)：
隨著現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展和能源危機(jī)的來臨，探索和尋找新能源材料、開發(fā)新能源是人類的永恒課題。自基于zno納米線壓電效應(yīng)的壓電式碳基應(yīng)變電源問世以來，又出現(xiàn)多種基于納米材料和納米結(jié)構(gòu)，以及不同納米效應(yīng)的新型碳基應(yīng)變電源。
在納米科技中，納米器件的制作與應(yīng)用最為重要，其中驅(qū)動(dòng)納米器件運(yùn)行的納米電源是關(guān)鍵技術(shù)之一。由于納米器件所消耗的功率極低，能夠開發(fā)和利用周圍環(huán)境中存在的能量，如太陽能、風(fēng)能、熱能、機(jī)械能等。近年來，大量的研究工作在納米發(fā)電機(jī)方面取得了突破性進(jìn)展。隨后，相應(yīng)的由超聲波驅(qū)動(dòng)的納米發(fā)電機(jī)、由不同頻率的振動(dòng)噪聲驅(qū)動(dòng)的納米發(fā)電機(jī)等相繼被設(shè)計(jì)和研發(fā)出來。因此，研制出一種電壓輸出穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)牢固的碳基應(yīng)變電源以滿足納米器件的供電需求具有重要意義。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的在于克服上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提供一種碳基應(yīng)變電源的制備方法，該制備方法簡(jiǎn)單易重復(fù)，節(jié)約能耗，制得的碳基應(yīng)變電源可以提供較大且穩(wěn)定的電壓和電流，適用于能源領(lǐng)域、信息領(lǐng)域、生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的供電。
本發(fā)明解決技術(shù)問題采用如下技術(shù)方案：
本發(fā)明提供了一種碳基應(yīng)變電源的制備方法，包括如下步驟：
（1）石墨烯片層的制備：將碳纖維、碳酸氫鈉顆粒、異丙醇依次加入到球磨罐中，其中，碳纖維與碳酸氫鈉顆粒的質(zhì)量比為3～6:1，異丙醇的用量為碳纖維質(zhì)量的20～30倍；球磨罐放入球磨機(jī)中，20～30℃下以500～800r/min的轉(zhuǎn)速球磨2～3小時(shí)后得到該石墨烯片層；
（2）石墨烯片層的附著：采用化學(xué)轉(zhuǎn)移法或旋轉(zhuǎn)涂覆法將石墨烯片層附著在柔性聚合物薄片上；
（3）微電極的制備：通過電子束曝光或光刻技術(shù)在聚合物薄片表面生成導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜在石墨烯片層表面形成微電極，將石墨烯表面的電荷導(dǎo)出；
（4）碳基應(yīng)變電源的制備：將兩片步驟（2）所得的附著有石墨烯片層和導(dǎo)電薄膜的聚合物薄片置于電解質(zhì)環(huán)境中，通過導(dǎo)電薄膜引出電極，分別作為碳基應(yīng)變電源的陰極和陽極；通過拉伸或彎曲其中一片聚合物薄片，使得附著在聚合物表面的石墨烯片層發(fā)生形變，兩極產(chǎn)生輸出電流。
優(yōu)選地，所述步驟（1）制備的石墨烯片層厚度為3～6nm。
優(yōu)選地，所述步驟（1）碳纖維與碳酸氫鈉顆粒的質(zhì)量比為5:1，異丙醇的用量為碳纖維質(zhì)量的26倍。
優(yōu)選地，所述步驟（2）柔性聚合物為聚二甲基硅氧烷、聚甲基丙烯酸甲酯或聚偏氟乙烯中的一種。
優(yōu)選地，所述步驟（3）導(dǎo)電薄膜為au、pd、pt、cui2、ito～sno2、cus形成的薄膜之一。
優(yōu)選地，所述步驟（4）電解質(zhì)選自可溶性鹽溶液或固態(tài)電解質(zhì)。
優(yōu)選地，所述可溶性鹽溶液為氯化鉀溶液或氯化鈉溶液。
優(yōu)選地，所述步驟（4）拉伸或彎曲聚合物薄片的形變率控制在10～40%。
與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有如下的有益效果：
（1）本發(fā)明的碳基應(yīng)變電源的制備方法，簡(jiǎn)單易重復(fù)，節(jié)約能耗，通過施加外力改變能帶結(jié)構(gòu)就可以在電解液環(huán)境下提供較大且穩(wěn)定的電壓和電流，且可以并聯(lián)或串聯(lián)的方式組合成碳基應(yīng)變電源組，電壓的可調(diào)范圍控制在mv～v之間。
（2）本發(fā)明的碳基應(yīng)變電源采用碳纖維材料作為導(dǎo)電材料，該材料的比表面積大，抗拉強(qiáng)度和彈性模量分別為125gpa和1.1tpa，強(qiáng)度達(dá)到了普通鋼的100倍，其電子遷移率可達(dá)到2×105cm2/v·s，約為硅中電子遷移率的140倍，砷化鎵的20倍，溫度穩(wěn)定性高，電導(dǎo)率可達(dá)108ω/m，在較小的范圍內(nèi)便可以輸出較大的電壓和電流，而且結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，使用壽命長。
具體實(shí)施方式
以下結(jié)合具體實(shí)施例對(duì)發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)的描述。
實(shí)施例1.
一種碳基應(yīng)變電源的制備方法，包括如下步驟：
（1）石墨烯片層的制備：將碳纖維5g、碳酸氫鈉顆粒1.67g、異丙醇100g依次加入到球磨罐中，球磨罐放入球磨機(jī)中，20～30℃下以500～800r/min的轉(zhuǎn)速球磨2～3小時(shí)后得到該石墨烯片層，石墨烯片層厚度為3～6nm。
（2）石墨烯片層的附著：采用化學(xué)轉(zhuǎn)移法或旋轉(zhuǎn)涂覆法將石墨烯片層附著在聚甲基丙烯酸甲酯薄片上。
（3）微電極的制備：通過電子束曝光或光刻技術(shù)在聚合物薄片表面生成pt導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜在石墨烯片層表面形成微電極，將石墨烯表面的電荷導(dǎo)出。
（4）碳基應(yīng)變電源的制備：將兩片步驟（2）所得的附著有石墨烯片層和導(dǎo)電薄膜的聚合物薄片置于氯化鉀溶液中，通過導(dǎo)電薄膜引出電極，分別作為碳基應(yīng)變電源的陰極和陽極；通過拉伸或彎曲其中一片聚合物薄片，形變率控制在10～40%，使得附著在聚合物表面的石墨烯片層發(fā)生形變，兩極產(chǎn)生輸出15μa的電流。
實(shí)施例2.
一種碳基應(yīng)變電源的制備方法，包括如下步驟：
（1）石墨烯片層的制備：將碳纖維5g、碳酸氫鈉顆粒1g、異丙醇130g依次加入到球磨罐中，球磨罐放入球磨機(jī)中，20～30℃下以500～800r/min的轉(zhuǎn)速球磨2～3小時(shí)后得到該石墨烯片層，石墨烯片層厚度為3～6nm。
（2）石墨烯片層的附著：采用化學(xué)轉(zhuǎn)移法或旋轉(zhuǎn)涂覆法將石墨烯片層附著在聚二甲基硅氧烷薄片上。
（3）微電極的制備：通過電子束曝光或光刻技術(shù)在聚合物薄片表面生成cus導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜在石墨烯片層表面形成微電極，將石墨烯表面的電荷導(dǎo)出。
（4）碳基應(yīng)變電源的制備：將兩片步驟（2）所得的附著有石墨烯片層和導(dǎo)電薄膜的聚合物薄片置于氯化鈉溶液中，通過導(dǎo)電薄膜引出電極，分別作為碳基應(yīng)變電源的陰極和陽極；通過拉伸或彎曲其中一片聚合物薄片，形變率控制在10～40%，使得附著在聚合物表面的石墨烯片層發(fā)生形變，兩極產(chǎn)生輸出20μa的電流。
實(shí)施例3.
一種碳基應(yīng)變電源的制備方法，包括如下步驟：
（1）石墨烯片層的制備：將碳纖維5g、碳酸氫鈉顆粒1.25g、異丙醇130g依次加入到球磨罐中，球磨罐放入球磨機(jī)中，20～30℃下以500～800r/min的轉(zhuǎn)速球磨2～3小時(shí)后得到該石墨烯片層，石墨烯片層厚度為3～6nm。
（2）石墨烯片層的附著：采用化學(xué)轉(zhuǎn)移法或旋轉(zhuǎn)涂覆法將石墨烯片層附著在聚甲基丙烯酸甲酯薄片上。
（3）微電極的制備：通過電子束曝光或光刻技術(shù)在聚合物薄片表面生成au導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜在石墨烯片層表面形成微電極，將石墨烯表面的電荷導(dǎo)出。
（4）碳基應(yīng)變電源的制備：將兩片步驟（2）所得的附著有石墨烯片層和導(dǎo)電薄膜的聚合物薄片置于固態(tài)電解質(zhì)中，通過導(dǎo)電薄膜引出電極，分別作為碳基應(yīng)變電源的陰極和陽極；通過拉伸或彎曲其中一片聚合物薄片，形變率控制在10～40%，使得附著在聚合物表面的石墨烯片層發(fā)生形變，兩極產(chǎn)生輸出18μa的電流。
實(shí)施例4.
一種碳基應(yīng)變電源的制備方法，包括如下步驟：
（1）石墨烯片層的制備：將碳纖維5g、碳酸氫鈉顆粒1.3g、異丙醇125g依次加入到球磨罐中，球磨罐放入球磨機(jī)中，20～30℃下以500～800r/min的轉(zhuǎn)速球磨2～3小時(shí)后得到該石墨烯片層，石墨烯片層厚度為3～6nm。
（2）石墨烯片層的附著：采用化學(xué)轉(zhuǎn)移法或旋轉(zhuǎn)涂覆法將石墨烯片層附著在聚二甲基硅氧烷薄片上。
（3）微電極的制備：通過電子束曝光或光刻技術(shù)在聚合物薄片表面生成pd導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜在石墨烯片層表面形成微電極，將石墨烯表面的電荷導(dǎo)出。
（4）碳基應(yīng)變電源的制備：將兩片步驟（2）所得的附著有石墨烯片層和導(dǎo)電薄膜的聚合物薄片置于氯化鉀溶液中，通過導(dǎo)電薄膜引出電極，分別作為碳基應(yīng)變電源的陰極和陽極；通過拉伸或彎曲其中一片聚合物薄片，形變率控制在10～40%，使得附著在聚合物表面的石墨烯片層發(fā)生形變，兩極產(chǎn)生輸出16μa的電流。
實(shí)施例5.
一種碳基應(yīng)變電源的制備方法，包括如下步驟：
（1）石墨烯片層的制備：將碳纖維5g、碳酸氫鈉顆粒1.46g、異丙醇140g依次加入到球磨罐中，球磨罐放入球磨機(jī)中，20～30℃下以500～800r/min的轉(zhuǎn)速球磨2～3小時(shí)后得到該石墨烯片層，石墨烯片層厚度為3～6nm。
（2）石墨烯片層的附著：采用化學(xué)轉(zhuǎn)移法或旋轉(zhuǎn)涂覆法將石墨烯片層附著在聚偏氟乙烯薄片上。
（3）微電極的制備：通過電子束曝光或光刻技術(shù)在聚合物薄片表面生成cui2導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜在石墨烯片層表面形成微電極，將石墨烯表面的電荷導(dǎo)出。
（4）碳基應(yīng)變電源的制備：將兩片步驟（2）所得的附著有石墨烯片層和導(dǎo)電薄膜的聚合物薄片置于氯化鈉溶液中，通過導(dǎo)電薄膜引出電極，分別作為碳基應(yīng)變電源的陰極和陽極；通過拉伸或彎曲其中一片聚合物薄片，形變率控制在10～40%，使得附著在聚合物表面的石墨烯片層發(fā)生形變，兩極產(chǎn)生輸出15μa的電流。
實(shí)施例6.
一種碳基應(yīng)變電源的制備方法，包括如下步驟：
（1）石墨烯片層的制備：將碳纖維5g、碳酸氫鈉顆粒1.53g、異丙醇145g依次加入到球磨罐中，球磨罐放入球磨機(jī)中，20～30℃下以500～800r/min的轉(zhuǎn)速球磨2～3小時(shí)后得到該石墨烯片層，石墨烯片層厚度為3～6nm。
（2）石墨烯片層的附著：采用化學(xué)轉(zhuǎn)移法或旋轉(zhuǎn)涂覆法將石墨烯片層附著在聚偏氟乙烯薄片上。
（3）微電極的制備：通過電子束曝光或光刻技術(shù)在聚合物薄片表面生成pt導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜在石墨烯片層表面形成微電極，將石墨烯表面的電荷導(dǎo)出。
（4）碳基應(yīng)變電源的制備：將兩片步驟（2）所得的附著有石墨烯片層和導(dǎo)電薄膜的聚合物薄片置于固態(tài)電解質(zhì)中，通過導(dǎo)電薄膜引出電極，分別作為碳基應(yīng)變電源的陰極和陽極；通過拉伸或彎曲其中一片聚合物薄片，形變率控制在10～40%，使得附著在聚合物表面的石墨烯片層發(fā)生形變，兩極產(chǎn)生輸出18μa的電流。
實(shí)施例7.
一種碳基應(yīng)變電源的制備方法，包括如下步驟：
（1）石墨烯片層的制備：將碳纖維5g、碳酸氫鈉顆粒1.3g、異丙醇115g依次加入到球磨罐中，球磨罐放入球磨機(jī)中，20～30℃下以500～800r/min的轉(zhuǎn)速球磨2～3小時(shí)后得到該石墨烯片層，石墨烯片層厚度為3～6nm。
（2）石墨烯片層的附著：采用化學(xué)轉(zhuǎn)移法或旋轉(zhuǎn)涂覆法將石墨烯片層附著在聚甲基丙烯酸甲酯薄片上。
（3）微電極的制備：通過電子束曝光或光刻技術(shù)在聚合物薄片表面生成ito～sno2導(dǎo)電薄膜，導(dǎo)電薄膜在石墨烯片層表面形成微電極，將石墨烯表面的電荷導(dǎo)出。
（4）碳基應(yīng)變電源的制備：將兩片步驟（2）所得的附著有石墨烯片層和導(dǎo)電薄膜的聚合物薄片置于氯化鉀溶液中，通過導(dǎo)電薄膜引出電極，分別作為碳基應(yīng)變電源的陰極和陽極；通過拉伸或彎曲其中一片聚合物薄片，形變率控制在10～40%，使得附著在聚合物表面的石墨烯片層發(fā)生形變，兩極產(chǎn)生輸出13μa的電流。
以上所述僅是本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)施方式，本發(fā)明的保護(hù)范圍并不僅局限于上述實(shí)施例，凡屬于本發(fā)明思路下的技術(shù)方案均屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。應(yīng)當(dāng)指出，對(duì)于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明原理前提下的若干改進(jìn)和潤飾，這些改進(jìn)和潤飾也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。