一種能提高能量轉(zhuǎn)換效率的電容式發(fā)電機(jī)及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種能提高能量轉(zhuǎn)換效率的電容式發(fā)電機(jī)，包括上下電極，其特征在于：在下電極上表面設(shè)置一層PDMS復(fù)合膜，所述PDMS復(fù)合膜與上電極之間有間隙，該P(yáng)DMS復(fù)合膜中添加有導(dǎo)電微納米顆粒。本發(fā)明還公開了該種電容式發(fā)電機(jī)的制備方法。本發(fā)明的納米發(fā)電機(jī)大大提高了發(fā)電機(jī)能量轉(zhuǎn)換效率，輸出電流、輸出電壓、和輸出功率均得到很大的提高。該方法工藝簡單、成本低廉、高效、環(huán)保，適合大規(guī)模生產(chǎn)。對電容式發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和優(yōu)化有重要的指導(dǎo)意義。
【專利說明】-種能提高能量轉(zhuǎn)換效率的電容式發(fā)電機(jī)及其制備方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種電容式發(fā)電機(jī)及其制備方法，特別涉及一種能提高能量轉(zhuǎn)換效率 的電容式發(fā)電機(jī)及其制備方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 當(dāng)今世界，能源短缺和環(huán)境問題日益嚴(yán)重，可持續(xù)綠色無污染能源的尋求愈加迫 切。能源問題成為影響人類進(jìn)步和可持續(xù)發(fā)展的重大問題之一，各種圍繞新能源開發(fā)、可再 生能源重復(fù)利用的研究正在世界各地如火如茶的進(jìn)行之中?；诩{米器件的能源研究工作 是在小尺度范圍內(nèi)進(jìn)行的，雖然無法解決人類傳統(tǒng)能源日益枯竭的問題，但卻也足W影響 到人們的日常生活，特別是移動(dòng)式和便攜式小型電子設(shè)備。2006年，美國佐治亞理工學(xué)院的 王中林研究組首次提出了納米發(fā)電機(jī)的理念，開辟了能源轉(zhuǎn)化和應(yīng)用的一個(gè)新的范疇。此 后，各種類型的納米發(fā)電機(jī)不斷被研制出來。傳統(tǒng)的壓電納米發(fā)電機(jī)是利用壓電材料自身 的壓電效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)將各種形式的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為可利用的電能，摩擦納米發(fā)電機(jī)是利用聚合 物和金屬之間的摩擦起電和靜電感應(yīng)的原理來將機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能，但是單個(gè)發(fā)電機(jī)器件 的輸出電流和功率都不高，該在一定程度上阻礙了納米發(fā)電機(jī)在實(shí)際生活中的應(yīng)用。因此， 迫切需要提高納米發(fā)電機(jī)的輸出電流和功率來滿足當(dāng)前特殊應(yīng)用領(lǐng)域的需求。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供另一種能提高能量轉(zhuǎn)換效率的電容式發(fā)電 機(jī)，本發(fā)明的第二目的是提供該種電容式發(fā)電機(jī)的制備方法。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案如下；一種能提高能量轉(zhuǎn)換效率的電容式 發(fā)電機(jī)，包括上下電極，其特征在于：在下電極上表面設(shè)置一層PDMS復(fù)合膜，所述PDMS復(fù)合 膜與上電極之間有間隙，該P(yáng)DMS復(fù)合膜中添加有導(dǎo)電微納米顆粒。
[0005] 作為上述方案的優(yōu)選：所述導(dǎo)電微納米顆粒為導(dǎo)電石墨粉。
[0006] 本發(fā)明的第二目的是該樣實(shí)現(xiàn)的；一種能提高能量轉(zhuǎn)換效率的電容式發(fā)電機(jī)的制 備方法，其特征在于：包括如下步驟：
[0007] (1)、將PDMS和固化劑混合配成A組分，將導(dǎo)電微納米顆粒溶解在無水己醇中得到 B組分，然后將B組分加入到A組分中，充分?jǐn)埌?，直至?dǎo)電微納米顆粒與PDMS混合均勻?yàn)?止，得到C組分；
[000引 （2)、將步驟（1)中得到的C組分制成PDMS復(fù)合膜；
[0009] (3)、將步驟（2)中制得的PDMS復(fù)合膜置于下電極上表面，所述PDMS復(fù)合膜與上 電極之間有間隙，得到納米發(fā)電機(jī)。
[0010] 作為優(yōu)選；所述導(dǎo)電微納米顆粒為導(dǎo)電石墨粉顆粒。
[0011] 在上述方案中：所述導(dǎo)電石墨粉的質(zhì)量為導(dǎo)電石墨粉、PDMS和固化劑總量的 0. 9% -6%。
[001引在上述方案中：所述導(dǎo)電石墨粉的質(zhì)量為導(dǎo)電石墨粉、PDMS和固化劑總量的3%。
[001引在上述方案中：所述PDMS和固化劑的質(zhì)量比為10:1。
[0014] 在上述方案中：步驟（2)的具體操作為：
[0015] 將步驟（1)中得到的C組分轉(zhuǎn)移到平底的器皿中，然后將其分散開來，3-5min后C 組分會均勻分散成PDMS復(fù)合膜；再將器皿置于55C -8(TC的干燥箱中干燥固化處理2-化， 最終得到固定厚度的PDMS復(fù)合膜；
[0016] 或?qū)⒉襟E（1)中得到的C組分轉(zhuǎn)移到用膠帶在玻璃板上粘成的腔體中，然后再用 載玻片朝一個(gè)方向刮成一定厚度的膜，再將玻璃板置于55C -8(TC的干燥箱中干燥固化處 理2-化，最終得到固定厚度的PDMS復(fù)合膜。
[0017] 在上述方案中：步驟（2)具體操作為：
[001引將氧化鋒團(tuán)聚球顆?；蚣{米棒均勻溶解在無水己醇中，得到D組分，然后將D組分 加入到C組分中，再用玻璃棒充分?jǐn)埌?0-20min，直至混合均勻?yàn)橹梗玫紼組分，然后將 E組分轉(zhuǎn)移到用膠帶在玻璃板上粘成的腔體中，再用載玻片朝一個(gè)方向刮成一定厚度的膜， 再將玻璃板置于55C -8(TC的真空干燥箱中干燥固化處理2-化，再將復(fù)合膜放置在鹽酸溶 液中刻蝕5-她，最終得到多孔海綿狀的PDMS復(fù)合膜。
[0019] 在上述方案中：氧化鋒團(tuán)聚球顆?；蚣{米棒的質(zhì)量小于PDMS、導(dǎo)電微納米顆粒和 固化劑總量的10%。增加氧化鋒團(tuán)聚顆粒或納米棒，得到多孔海綿狀PDMS復(fù)合膜，進(jìn)一步 增加表面帶電量。
[0020] 我們對制備的電容式結(jié)構(gòu)的摩擦納米發(fā)電機(jī)進(jìn)行電學(xué)性能輸出表征，并進(jìn)行對 比分析，對其機(jī)理進(jìn)行分析。機(jī)理如下；電容式結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)的聚合物表面的最大電荷密 度由電容式結(jié)構(gòu)的發(fā)電機(jī)的電容大小決定。電容量越大，在相同的摩擦條件下聚合物表 面就能儲存更多的駐極電荷，而電容量主要由相對介電常數(shù)與介電層的厚度的比值決定 公5 (C = ^ )。我們首先比較了慘入導(dǎo)電石墨粉的PDMS復(fù)合膜與純PDMS制成的納米發(fā)電機(jī) a 進(jìn)行了對比（如圖2所示）。然后通過慘入不同量的導(dǎo)電石墨粉顆粒來改善PDMS復(fù)合膜電 學(xué)性能輸出（如圖3所示），從圖5中我們可W看出，加入導(dǎo)電石墨和沒加導(dǎo)電石墨的PDMS 復(fù)合膜相比，加入導(dǎo)電石墨W后輸出電流明顯增加。
[002。 從圖6可W看出，當(dāng)導(dǎo)電石墨添加量在0. 03_g到0. 2_g時(shí)，換算成質(zhì)量百分比為 0.9% -6%，輸出電流和電壓增加較明顯。
[0022] 由于導(dǎo)電石墨粉顆粒均勻的分布在PDMS中，它們可W簡單地等效成一個(gè)厚度為r 的導(dǎo)電層，那么此時(shí)電容量減少為C = 由于有很多的導(dǎo)電石墨粉顆粒，所W導(dǎo)電層 a -r 可W等效成ri，r2，r3......，因此總的導(dǎo)電層為5二…。PDMSOGPs復(fù)合膜制作成的 納米發(fā)電機(jī)的等效電容量為G = ^ (圖4)。電容量直接決定聚合物表面的電荷密度， d-d 慘入不同導(dǎo)電石墨粉顆粒后，有效介電層的減少量，電容量變化，相對介電常數(shù)的變化及其 電荷量的變化如下表：
[0023]

【權(quán)利要求】
1. 一種能提高能量轉(zhuǎn)換效率的電容式發(fā)電機(jī)，包括上下電極，其特征在于：在下電極 上表面設(shè)置一層PDMS復(fù)合膜，所述PDMS復(fù)合膜與上電極之間有間隙，該P(yáng)DMS復(fù)合膜中添 加有導(dǎo)電微納米顆粒。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述能提高能量轉(zhuǎn)換效率的電容式發(fā)電機(jī)，其特征在于：所述導(dǎo)電 微納米顆粒為導(dǎo)電石墨粉顆粒。
3. -種能提高能量轉(zhuǎn)換效率的電容式發(fā)電機(jī)的制備方法，其特征在于：包括如下步 驟： (1) 、將PDMS和固化劑混合配成A組分，將導(dǎo)電微納米顆粒溶解在無水乙醇中得到B組 分，然后將B組分加入到A組分中，充分?jǐn)嚢瑁敝翆?dǎo)電微納米顆粒與PDMS混合均勻?yàn)橹梗?得到C組分； (2) 、將步驟⑴中得到的C組分制成PDMS復(fù)合膜； (3) 、將步驟（2)中制得的PDMS復(fù)合膜置于下電極上表面，所述PDMS復(fù)合膜與上電極 之間有間隙，得到納米發(fā)電機(jī)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述能提高能量轉(zhuǎn)換效率的電容式發(fā)電機(jī)的制備方法，其特征在 于：所述導(dǎo)電微納米顆粒為導(dǎo)電石墨粉。
5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述能提高能量轉(zhuǎn)換效率的電容式發(fā)電機(jī)的制備方法，其特征在 于：所述導(dǎo)電石墨粉的質(zhì)量為導(dǎo)電石墨粉、PDMS和固化劑總量的0. 9% -6%。
6. 根據(jù)權(quán)利要求5所述能提高能量轉(zhuǎn)換效率的電容式發(fā)電機(jī)的制備方法，其特征在 于：所述導(dǎo)電石墨粉的質(zhì)量為導(dǎo)電石墨粉、PDMS和固化劑總量的3%。
7. 根據(jù)權(quán)利要求5所述能提高能量轉(zhuǎn)換效率的電容式發(fā)電機(jī)的制備方法，其特征在 于：所述PDMS和固化劑的質(zhì)量比為10:1。
8. 根據(jù)權(quán)利要求6所述能提高能量轉(zhuǎn)換效率的電容式發(fā)電機(jī)的制備方法，其特征在 于：步驟（2)的具體操作為： 將步驟（1)中得到的C組分轉(zhuǎn)移到平底的器皿中，然后將其分散開來，3-5min后C組分 會均勻分散成PDMS復(fù)合膜；再將器皿置于55°C _80°C的干燥箱中干燥固化處理2-4h，最終 得到固定厚度的PDMS復(fù)合膜； 或?qū)⒉襟E（1)中得到的C組分轉(zhuǎn)移到用膠帶在玻璃板上粘成的腔體中，然后再用載 玻片朝一個(gè)方向刮成一定厚度的膜，再將玻璃板置于55°C -80°C的干燥箱中干燥固化處理 2-4h，最終得到固定厚度的PDMS復(fù)合膜。
9. 根據(jù)權(quán)利要求6所述能提高能量轉(zhuǎn)換效率的電容式發(fā)電機(jī)的制備方法，其特征在 于：步驟（2)具體操作為： 將氧化鋅團(tuán)聚球顆?；蚣{米棒均勻溶解在無水乙醇中，得到D組分，然后將D組分加入 到C組分中，再用玻璃棒充分?jǐn)嚢?0-20min，直至混合均勻?yàn)橹梗玫紼組分，然后將E組分 轉(zhuǎn)移到用膠帶在玻璃板上粘成的腔體中，再用載玻片朝一個(gè)方向刮成一定厚度的膜，再將 玻璃板置于55°C -80°C的真空干燥箱中干燥固化處理2-4h，再將復(fù)合膜放置在鹽酸溶液中 刻蝕5-8h，最終得到多孔海綿狀的PDMS復(fù)合膜。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述能提高能量轉(zhuǎn)換效率的電容式發(fā)電機(jī)的制備方法，，其特征在 于：氧化鋅團(tuán)聚球顆?；蚣{米棒的質(zhì)量小于PDMS、導(dǎo)電微納米顆粒和固化劑總量的10%。
【文檔編號】H02N1/08GK104362885SQ201410729124
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年12月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月3日
【發(fā)明者】胡陳果, 賀顯明, 郭恒宇, 奚伊 申請人:重慶大學(xué)