專利名稱：一種核殼結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米膜碳纖維壓電材料的方法及其應(yīng)用的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于碳纖維表面物理合成技術(shù)，涉及一種核殼結(jié)構(gòu)的基于碳纖維表面長出織構(gòu)型氧化鋅納米線薄膜的方法及其在環(huán)境和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域，特別是中醫(yī)脈象信息實(shí)時(shí)傳感的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
空氣壓動(dòng)力是一個(gè)很普通但是非常重要的物理參數(shù)，在方方面面影響著我們的日常生活。從工業(yè)革命時(shí)代的蒸汽機(jī)，到近代的內(nèi)燃機(jī)和目前的噴氣式飛機(jī)，都是利用氣流引起的氣壓壓力的變化驅(qū)動(dòng)。如何利用環(huán)境中的低能量密度的空氣/液體的壓力和流動(dòng)而收集二次能源或低頻能源，依然為今天的新能源技術(shù)的重要方向。但環(huán)境中特別是空氣中的壓力是一個(gè)波動(dòng)的振幅和頻率，其在很大程度上是變化不規(guī)則的，而這使得直接使用常規(guī)技術(shù)很難將這種環(huán)境中的低密度能量有效地收獲。以懸臂壓電材料為例，如果外部收獲機(jī)械刺激頻率匹配的懸臂共振頻率，它有最大的能量效率。如果刺激頻率低，所需諧振器的尺寸要大，只有作用力大小是足夠大的時(shí)候才能收獲能量。但如果應(yīng)用頻率高的話，對諧振器的尺寸必須要小，但我們環(huán)境生活中的大部分振動(dòng)如微風(fēng)等都是非常低頻的，特別是在生物系統(tǒng)，如呼吸和心跳等。最近，壓電納米線已經(jīng)應(yīng)用到收獲環(huán)境中的機(jī)械能。納米線為基礎(chǔ)的納米發(fā)電機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是不依賴于諧振器的共振，而是通過壓力誘導(dǎo)應(yīng)變產(chǎn)生壓電效應(yīng)。由于納米線的尺寸非常小，為促使產(chǎn)生機(jī)械變形所需的力也很小。但納米發(fā)電機(jī)是由聚合物層包裹保護(hù)起來，這在很大程度上降低了對應(yīng)力敏感程度的同時(shí)，也很大程度上降低了能量轉(zhuǎn)換效率。更重要的是，迄今為止，所有的納米發(fā)電機(jī)都是在直接接觸產(chǎn)生形變的模式下驅(qū)動(dòng)產(chǎn)電的?？諝?液體的壓動(dòng)不同于之前，其作為介質(zhì)壓力，是一種各向壓力大小同性的，但方向是均垂直于表面的向量。因此需要開發(fā)新的方法，以使能夠收集非接觸的氣/液壓力的能量的納米發(fā)電機(jī)。此前，氧化鋅納米線生長的芳綸纖維已被證實(shí)作為纖維發(fā)電機(jī)的辦法，其方法是將一個(gè)生長氧化鋅線的碳纖維鍍金作為探針撥動(dòng)另一個(gè)碳纖維上的氧化鋅起到壓電作用 [8]。另外的方法是，通過對極化的聚四氟乙烯纖維直接施加應(yīng)力也可以收集壓電效應(yīng)產(chǎn)生的能量[9]。但是，這兩個(gè)設(shè)計(jì)輸出量相當(dāng)?shù)?，所以，他們不能被用來?qū)動(dòng)實(shí)用設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
在本發(fā)明中，我們報(bào)告了用熱物理沉積技術(shù)制備出了一種類似于絨面結(jié)構(gòu)的織構(gòu)型氧化鋅薄膜生長的碳纖維材料。其利用柔性碳纖維做核部和氧化鋅薄膜圓柱殼體的設(shè)計(jì)，施加的壓力可以促使各點(diǎn)的氧化鋅殼產(chǎn)生壓力應(yīng)變。氧化鋅薄膜的紋理結(jié)構(gòu)的結(jié)果在宏觀壓電效應(yīng)，它可以產(chǎn)生3. 2V峰值輸出電壓，平均為0. 15微安/平方厘米的電流密度。 這種材料不僅可以收獲空氣/液體的壓力/流動(dòng)能源，而且也可以作為一種檢測脈搏脈象以及心跳壓力的自供電傳感器。它將來在智能衣服，柔性電子產(chǎn)品和醫(yī)療科學(xué)領(lǐng)域也會(huì)有的重要應(yīng)用。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種核殼結(jié)構(gòu)的氧化鋅碳纖維復(fù)合材料，即一種在碳纖維表面生長出織構(gòu)型納米氧化鋅膜的方法及其以這種材料設(shè)計(jì)的相關(guān)器件，其特征在于生長步驟如下1、材料預(yù)處理；對欲生長氧化鋅晶須的碳纖維或碳纖維織物，按照GJB1982-94中附錄A規(guī)定方法除去碳纖維或碳纖維織物表面的上漿劑，然后取出在50 100°C溫度下烘干即可。磨制生長源，取氧化鋅粉末和活性炭粉末按照質(zhì)量比1 1 1 5的范圍配置混合粉，作為氧化鋅的生長源，混合粉經(jīng)過粗磨和細(xì)磨1小時(shí)后或者球磨15分鐘后取出，于 50 100°C溫度下烘干備用。2、生長氧化鋅核殼薄膜；將0. 5 5克混合鋅粉至于一端開口石英管底部，碳纖維放置于石英管內(nèi)壁。將石英管從管式爐中部向外放置，密封管式爐緩慢抽至真空度小于 0. 05托，緩慢通入氧氣和氬氣或者氧氬混合氣，兩者氣體流量之和小于100毫升每分鐘，流速比為1 1 1 5。緩慢升溫加熱，升溫速率不大于30°C/min，加熱至850°C，保溫10 分鐘，然后以低于1 10°C /min速率加熱至960°C，保溫30min。3、器件制備處理；制備出核殼結(jié)構(gòu)的織構(gòu)型氧化鋅膜碳纖維，根據(jù)使用的用途可以做成三種不同類型的納米發(fā)電機(jī)1)電阻式納米發(fā)電機(jī)；一端用稀堿(< 0. 01mol/L的氫氧化鈉溶液或氫氧化鉀溶液)溶蝕出碳纖維表面導(dǎo)出電極，另一端通過銀膠帶或者金屬導(dǎo)電膠與氧化鋅膜表面粘接并導(dǎo)出電極，這樣形成一端存有肖特基節(jié)的電阻式納米發(fā)電機(jī)，氣體的壓電作用經(jīng)過氧化鋅膜的上下兩端的肖特基導(dǎo)出，從而作為氣體壓力傳感器或氣動(dòng)壓力納米發(fā)電機(jī)。2)電容式納米發(fā)電機(jī)；柔性絕緣基片兩側(cè)固定導(dǎo)電極板，將核殼結(jié)構(gòu)的織構(gòu)型氧化鋅膜碳纖維均勻固定在極板上，當(dāng)彎曲產(chǎn)生壓電電動(dòng)勢時(shí)，電容兩側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電荷，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)交流電信號，這樣通過電容的放大作用，能夠?qū)Ω⑷醯恼駝?dòng)比如脈搏的變化 (包括頻率，幅度，脈搏斜率等脈象學(xué)信息)產(chǎn)生實(shí)時(shí)感應(yīng)。3)電感式納米發(fā)電機(jī)；類似于電阻式納米發(fā)電機(jī)，不同的是將核殼結(jié)構(gòu)氧化鋅膜碳纖維彎曲繞城線圈形狀，從而使得導(dǎo)電碳纖維本身起到電感線圈削峰填谷的作用。同時(shí)， 電感式也容易感知更多的柔性振動(dòng)，能夠?qū)魵鈿饬鞯恼駝?dòng)做出有效的傳感。本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是第一，通過工藝條件的控制，可在碳纖維表面生長出均勻C軸均向外生長的核殼結(jié)構(gòu)氧化鋅膜(如圖1所示)，并且織構(gòu)型氧化鋅膜的晶體尺寸和納米線的長徑比都可以通過工藝參數(shù)調(diào)節(jié)。作為液動(dòng)壓力，氧化鋅表面覆蓋一層聚乙烯樹脂，樹脂均勻傳遞應(yīng)力(圖 2a所示)。第二，碳纖維基礎(chǔ)的無機(jī)復(fù)合材料由碳纖維和無機(jī)壓電半導(dǎo)體材料分別組成。碳纖維由于本身良好的導(dǎo)電性和柔韌性，纖維能夠起到支撐體承擔(dān)荷載和氧化鋅線內(nèi)部導(dǎo)電的電極。氧化鋅材料作為壓電材料的典型性材料，沿其C軸壓應(yīng)變作用產(chǎn)生壓電效應(yīng)，從而作為壓電電源(壓電原理如圖2b所示)。


圖1是核殼結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米膜碳纖維材料的掃描電鏡圖(SEM)圖2是核殼結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米膜碳纖維器件的形貌圖(a)和工作原理示意圖(b)。圖3是核殼結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米膜碳纖維器件的電流-電壓變化曲線圖。圖4是核殼結(jié)構(gòu)的氧化鋅碳纖維壓電器件氣動(dòng)壓力裝置圖(a、b)及輸出電流曲線圖(C)。圖5是核殼結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米膜碳纖維器件的呼吸運(yùn)動(dòng)電流(a)和電壓(b)傳感圖。圖6是核殼結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米膜碳纖維器件的脈搏運(yùn)動(dòng)原理示意圖和電流傳感圖。
具體實(shí)施例方式下面通過具體的實(shí)施例對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)說明，但本發(fā)明的技術(shù)范圍不限于這些。
具體實(shí)施方式
一裁剪3根IOcm長的國產(chǎn)碳纖維CCF300絲束，按照GJ B1982-94中附錄A的方法， 除去上漿劑，在50°C烘干。用純度為99. 9%的氧化鋅粉末1克和活性碳粉末2克混合，先粗磨15min，然后瑪瑙精細(xì)研磨30min使之微觀混合均勻。將一端封閉的石英管底部緩慢倒入3克研磨好的混合氧化鋅碳粉，加入烘干預(yù)處理后的碳纖維絲束于石英管內(nèi)壁；裝好后的石英管放在真空管式爐中部位置。真空泵調(diào)節(jié)氣閥緩慢抽至真空度小于5毫托，緩慢通入流量為IOccm的氧氣和30ccm的氬氣，調(diào)節(jié)真空度為2托；管式爐升溫加熱，升溫速率為 300C /min,加熱至850°C，保溫10分鐘，然后以10°C /min速率升溫至960°C，保溫30min。制作納米壓電器件取出制備好的核殼結(jié)構(gòu)的氧化鋅膜碳纖維材料，一端用 O.Olmol/L的氫氧化鈉溶液溶蝕掉表面氧化鋅膜，露出碳纖維電極；另一端通過銀膠帶或者金屬導(dǎo)電膠與氧化鋅膜表面粘接并導(dǎo)出銅線電極，裝置一端存有肖特基節(jié)的電阻式納米發(fā)電機(jī)，IV曲線證明如圖3所示。制作氣動(dòng)壓電裝置將制備好的納米壓電器件固定于注射器管內(nèi)，碳纖維表面氧化鋅膜上下端的電極導(dǎo)線通過注射器前端的密封的管路引出；推動(dòng)活塞改變腔內(nèi)氣體體積大小，輸出電壓和電流結(jié)果見圖4所示。這將為直接感受氣動(dòng)壓力和未來作為汽車，飛機(jī)輪胎等利用的利用氣壓變化產(chǎn)生的壓力能源回收裝置或氣壓傳感裝置提供支持。
具體實(shí)施方式
二裁剪2根4cm長的國產(chǎn)碳纖維CCF500絲束，按照GJB1982-94中附錄A的方法，除去上漿劑，在50°C烘干。用純度為99. 9%的氧化鋅粉末2克和活性碳粉末2克混合，瑪瑙精細(xì)研磨20min使之微觀混合均勻。將一端封閉的石英管底部緩慢倒入0. 5克研磨好的混合氧化鋅碳粉，加入烘干預(yù)處理后的碳纖維絲束于石英管內(nèi)壁；裝好后的石英管放在真空管式爐中部位置。真空泵調(diào)節(jié)氣閥緩慢抽至真空度小于15毫托，緩慢通入流量為Sccm的氧氣和32ccm的氬氣，調(diào)節(jié)真空度為2. . 4托；管式爐升溫加熱，升溫速率為30°C /min，加熱至850°C，然后以10°C /min速率升溫至960°C，保溫45min。制作納米壓電器件取出制備好的核殼結(jié)構(gòu)的氧化鋅膜碳纖維材料，一端用 O.Olmol/L的氫氧化鈉溶液溶蝕掉表面氧化鋅膜，露出碳纖維電極；另一端通過銀膠帶或者金屬導(dǎo)電膠與氧化鋅膜表面粘接并導(dǎo)出銅線電極，然后將核殼結(jié)構(gòu)氧化鋅膜碳纖維彎曲繞城線圈形狀，從而使得導(dǎo)電碳纖維本身起到電感線圈削峰填谷的作用；裝置一端存有肖特基節(jié)的電阻式納米發(fā)電機(jī)，同時(shí)，電感式也容易感知更多的柔性振動(dòng)，能夠?qū)魵鈿饬鞯恼駝?dòng)做出有效的傳感，輸出電壓和電流結(jié)果見圖5所示。
具體實(shí)施方式
三裁剪1根5cm長的國產(chǎn)碳纖維CCF400絲束，按照GJB1982-94中附錄A的方法，除去上漿劑，在50°C烘干。用純度為99. 9%的氧化鋅粉末5克和活性碳粉末3克混合，球磨 30min使之微觀混合均勻。將一端封閉的石英管底部緩慢倒入1克研磨好的混合氧化鋅碳粉，加入烘干預(yù)處理后的碳纖維絲束于石英管內(nèi)壁；裝好后的石英管放在真空管式爐中偏左2cm位置。真空泵調(diào)節(jié)氣閥緩慢抽至真空度小于10毫托，緩慢通入流量為IOccm的氧氣和20ccm的氬氣，調(diào)節(jié)真空度為2. 2托；管式爐升溫加熱，升溫速率為30°C /min，加熱至 800°C，然后以10°C /min速率升溫至960°C，保溫30min。制作納米壓電中醫(yī)脈象傳感器件取出制備好的核殼結(jié)構(gòu)的氧化鋅膜碳纖維材料，柔性絕緣基片兩側(cè)固定導(dǎo)電極板，將核殼結(jié)構(gòu)的織構(gòu)型氧化鋅膜碳纖維均勻固定在極板上，當(dāng)彎曲產(chǎn)生壓電電動(dòng)勢時(shí)，電容兩側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電荷，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)交流電信號，這樣通過電容的放大作用，能夠?qū)Ω⑷醯恼駝?dòng)比如脈搏的變化產(chǎn)生感應(yīng)，輸出壓電電流結(jié)果如圖6所示。這就可以實(shí)現(xiàn)通過壓電電流變化曲線來作為自供電傳感器，從而實(shí)時(shí)連續(xù)地監(jiān)測脈搏振動(dòng)頻率、脈搏振幅等脈象學(xué)特征信號。進(jìn)而為中醫(yī)現(xiàn)代化研究，特別是中醫(yī)脈象研究的定量化表征，提供針對人體中醫(yī)物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)傳感的信息支持。
權(quán)利要求
1.一種核殼結(jié)構(gòu)的氧化鋅納米膜碳纖維壓電材料的方法及應(yīng)用，其特征在于按如下步驟操作，其中制備步驟如下，①在對欲生長氧化鋅晶須的碳纖維或碳纖維織物，按照GJB1982-94中附錄A規(guī)定方法除去碳纖維或碳纖維織物表面的上漿劑，然后取出在50 100°C溫度下烘干即可。磨制生長源，取氧化鋅粉末和活性炭粉末混合，作為氧化鋅的生長源，混合粉經(jīng)過粗磨和細(xì)磨 15 60分鐘后取出，于50 100°C溫度下烘干備用；②將0.5 5克混合鋅粉至于一端開口石英管底部，碳纖維放置于石英管內(nèi)壁。將石英管從管式爐中部向外放置，密封管式爐緩慢抽至真空度小于0. 05托，緩慢通入氧氣和氬氣后，開始緩慢升溫加熱，升溫速率不大于30°C /min，加熱至850°C，保溫10分鐘，然后以 1 10°C /min速率加熱至960°C，保溫30min后冷卻至室溫取出；應(yīng)用器件制備包括如下1)電阻式納米發(fā)電機(jī)；一端用稀堿(<0. 01mol/L的氫氧化鈉溶液或氫氧化鉀溶液) 溶蝕出碳纖維表面導(dǎo)出電極，另一端通過銀膠帶或者金屬導(dǎo)電膠與氧化鋅膜表面粘接并導(dǎo)出電極，這樣形成一端存有肖特基節(jié)的電阻式納米發(fā)電機(jī)，氣體的壓電作用通過氧化鋅膜的上下兩端導(dǎo)出。2)電容式納米發(fā)電機(jī)；柔性絕緣基片兩側(cè)固定導(dǎo)電極板，將核殼結(jié)構(gòu)的織構(gòu)型氧化鋅膜碳纖維均勻固定在極板上，當(dāng)彎曲產(chǎn)生壓電電動(dòng)勢時(shí)，電容兩側(cè)產(chǎn)生感應(yīng)電荷，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)交流電信號，這樣通過電容的放大作用，能夠?qū)Ω⑷醯恼駝?dòng)比如脈搏的變化產(chǎn)生感應(yīng)。3)電感式納米發(fā)電機(jī)；類似于電阻式納米發(fā)電機(jī)，不同的是將核殼結(jié)構(gòu)氧化鋅膜碳纖維彎曲繞城線圈形狀，從而使得導(dǎo)電碳纖維本身起到電感線圈削峰填谷的作用。同時(shí)，電感式也容易感知更多的柔性振動(dòng)，能夠?qū)魵鈿饬鞯恼駝?dòng)做出有效的傳感。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述氧化鋅粉末和活性炭混合粉末， 按照質(zhì)量比1 1 1 5的范圍配置，氧化鋅純度大于99. 9%化學(xué)純，活性炭為100 300目粉末活性炭。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述鐵鹽溶液為亞鐵鹽，包括硫酸亞鐵銨，硫酸亞鐵，氯化亞鐵，草酸亞鐵等。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述緩慢通入氧氣和氬氣或者氧氬混合氣，兩者氣體總速率小于100毫升每分鐘，流量比為1 1 1 5。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的制備方法，其特征在于所述通入氧氣和氬氣后，保持爐內(nèi)真空度為1.0 2. 5托之間。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的器件制備方法，其特征在于氧化鋅膜的壓電電壓通過碳纖維和氧化鋅頂部之間的電極導(dǎo)出，氧化鋅膜表面與電極的連接為肖特基連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備的器件，可以通過壓電電流變化曲線來作為自供電傳感器實(shí)時(shí)連續(xù)地采集氣體壓電作用下通過氧化鋅膜的上下肖特基兩端導(dǎo)出，從而廣泛作為如汽車飛機(jī)輪胎的氣體壓力傳感器或氣動(dòng)壓力納米發(fā)電機(jī)。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述制備的器件，可以通過壓電電流變化曲線來作為自供電傳感器實(shí)時(shí)連續(xù)地監(jiān)測脈搏振動(dòng)頻率，脈搏振幅等脈象學(xué)特征信號，為中醫(yī)現(xiàn)代化定量化表征提供人體物聯(lián)網(wǎng)傳感支持。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種核殼結(jié)構(gòu)的基于碳纖維表面長出織構(gòu)型氧化鋅納米線薄膜的方法。制備步驟如下除去碳纖維或碳纖維織物表面的上漿劑，取氧化鋅粉末和活性炭粉末混合，作為氧化鋅的生長源，將混合鋅粉至于密封管式爐緩慢抽至真空，緩慢通入氬氧混合氣后升溫加熱至850℃，保溫10分鐘，然后至960℃保溫30min后取出冷卻；氧化鋅膜的壓電電壓通過碳纖維和氧化鋅頂部之間的電極導(dǎo)出，氧化鋅膜表面與電極的連接為肖特基連接。本發(fā)明的器件可以作為如汽車飛機(jī)輪胎的氣體壓力傳感器或氣動(dòng)壓力納米發(fā)電機(jī)。此外，還可以通過壓電電流變化曲線來作為自供電傳感器實(shí)時(shí)連續(xù)地監(jiān)測脈搏振動(dòng)頻率，脈搏振幅等脈象學(xué)特征信號，為中醫(yī)現(xiàn)代人體物聯(lián)網(wǎng)定量化表征提供支持。
文檔編號H01L41/18GK102315381SQ20111000667
公開日2012年1月11日 申請日期2011年1月13日 優(yōu)先權(quán)日2011年1月13日
發(fā)明者李澤唐, 王中林 申請人:李澤唐, 王中林