本發(fā)明屬于新能源開發(fā)和發(fā)電技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種基于鈮酸鋰材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著環(huán)境污染和能源危機(jī)的不斷加劇，發(fā)展綠色能源變得越來越迫在眉睫。機(jī)械能在我們?nèi)粘Ｉ钪惺欠浅Ｆ毡榈?，將其轉(zhuǎn)化為電能成為緩解能源危機(jī)的一個(gè)重要途徑。

摩擦納米發(fā)電機(jī)可以收集多種形式的機(jī)械能，比如振動(dòng)能、生物能等等。其工作原理基于摩擦起電和靜電感應(yīng)的耦合。當(dāng)兩種具有不同摩擦電極性的材料不斷相互接觸分離或相對(duì)滑動(dòng)時(shí)，在外電路中就會(huì)持續(xù)產(chǎn)生交流電。摩擦納米發(fā)電機(jī)由于其成本低廉，制作簡單，能量轉(zhuǎn)化效率高等優(yōu)點(diǎn)，越來越受到研究者的關(guān)注。

但是，在現(xiàn)有技術(shù)中摩擦納米發(fā)電機(jī)的摩擦材料比較固定，多為金屬和高分子聚合物，如鋁、銅、聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚四氟乙烯(ptfe)、聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(pet)等，摩擦納米發(fā)電機(jī)的研究重點(diǎn)也主要集中在純?nèi)嵝阅Σ敛牧弦约靶滦徒Y(jié)構(gòu)上。上述摩擦材料使摩擦納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍限制在單一的摩擦發(fā)電領(lǐng)域，很難與其他領(lǐng)域相互交叉結(jié)合，這樣必定會(huì)限制摩擦納米發(fā)電機(jī)的長遠(yuǎn)發(fā)展。鈮酸鋰材料具有優(yōu)良的壓電效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、非線性效應(yīng)及光折變效應(yīng)，發(fā)展基于鈮酸鋰材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)對(duì)于開發(fā)復(fù)合型納米發(fā)電機(jī)及新型高靈敏傳感器具有巨大的應(yīng)用潛力。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種基于鈮酸鋰材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)，用以解決現(xiàn)有的摩擦納米發(fā)電機(jī)的摩擦材料相對(duì)單一化的問題。所設(shè)計(jì)的摩擦納米發(fā)電機(jī)結(jié)構(gòu)簡單，輸出電壓穩(wěn)定。

依據(jù)本發(fā)明的第一方面，提供一種基于鈮酸鋰材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)，其包括由第一摩擦材料組成的正極性摩擦層、由第二摩擦材料組成的負(fù)極性摩擦層、第一電極、第二電極；其中，所述第一摩擦材料與第一電極相接觸，所述第二摩擦材料與第二電極相接觸，所述第一摩擦材料與第二摩擦材料之間接觸或分離設(shè)置，當(dāng)有交變外力作用在所述摩擦納米發(fā)電機(jī)時(shí)，第一摩擦材料與第二摩擦材料會(huì)發(fā)生接觸/分離或相對(duì)滑動(dòng)，使第一電極和第二電極之間產(chǎn)生交流電信號(hào)；第一摩擦材料為鈮酸鋰材料。

進(jìn)一步地，所述的鈮酸鋰材料可以是同成分鈮酸鋰，也可以是摻雜鈮酸鋰，如摻鐵鈮酸鋰、摻鎂鈮酸鋰等。所述的鈮酸鋰材料可以是鈮酸鋰單晶薄片，也可以是鈮酸鋰多晶薄膜。所述第二摩擦材料為柔性高分子聚合物。

進(jìn)一步地，對(duì)應(yīng)于所述鈮酸鋰單晶薄片的第一電極是金屬電極，對(duì)應(yīng)于所述鈮酸鋰多晶薄膜的第一電極是高摻硅電極。所述第二電極是金屬電極。所述柔性高分子聚合物為聚二甲基硅氧烷(pdms)。

進(jìn)一步地，所述的聚合物聚二甲基硅氧烷表面上修飾有微結(jié)構(gòu)，微結(jié)構(gòu)尺寸為5-10微米，深度為10-15微米。

依據(jù)本發(fā)明的第二方面，提供一種制備基于鈮酸鋰材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)的制備方法，其包括步驟如下：

步驟1，制備鈮酸鋰單晶薄片并與金屬電極進(jìn)行粘合或在高摻硅基底上制備鈮酸鋰多晶薄膜；

步驟2，制備聚二甲基硅氧烷(pdms)并在其摩擦表面修飾微結(jié)構(gòu)；

步驟3，將所述聚二甲基硅氧烷(pdms)未修飾微結(jié)構(gòu)的一面和金屬薄片進(jìn)行粘合；

步驟4，分別在金屬電極和高摻硅電極上引出銅導(dǎo)線；

步驟5，將步驟1中制備的帶有電極的鈮酸鋰材料和將步驟3中制備的帶有電極的聚二甲基硅氧烷(pdms)分別固定在可產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)的裝置上，所述帶有電極的鈮酸鋰材料和所述pdms具有微結(jié)構(gòu)的表面處于相向位置；

步驟6，可產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)的裝置工作時(shí)，帶動(dòng)鈮酸鋰材料和聚二甲基硅氧烷發(fā)生接觸/分離或相對(duì)滑動(dòng)，使用示波器采集輸出電壓。

進(jìn)一步地，鈮酸鋰單晶薄片為使用內(nèi)圓切方法對(duì)由提拉法制成的鈮酸鋰柱狀晶體進(jìn)行(006)面切割(c向切割)所得，其厚度約為500納米-5毫米。鈮酸鋰多晶薄膜采用激光分子束外延(lmbe)的方法制備而成。薄膜厚度約為100-500納米，薄膜表面具有不平整度。

進(jìn)一步地，制備聚二甲基硅氧烷(pdms)微結(jié)構(gòu)的方法是使用黑硅作為母版。

本發(fā)明的有益效果為：

本發(fā)明提供的基于鈮酸鋰材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)使用單晶鈮酸鋰薄片或激光分子束外延(lmbe)方法制備的鈮酸鋰薄膜作為新型摩擦材料。鈮酸鋰材料具有優(yōu)良的壓電效應(yīng)、電光效應(yīng)、聲光效應(yīng)、非線性效應(yīng)及光折變效應(yīng)，發(fā)展基于鈮酸鋰材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)可以將納米發(fā)電機(jī)的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到光學(xué)、聲學(xué)及傳感等領(lǐng)域，具有巨大的應(yīng)用潛力。

附圖說明

為了更清楚地說明本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案，下面將對(duì)實(shí)施例描述中所需要使用的附圖做簡要介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發(fā)明的一些實(shí)施例，對(duì)于本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來講，在不付出創(chuàng)造性勞動(dòng)的前提下，還可以根據(jù)這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的基于鈮酸鋰材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例的基于鈮酸鋰多晶薄膜的摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓波形；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例的基于鈮酸鋰單晶薄片的摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓波形。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述。顯然，所描述的實(shí)施例僅僅是本發(fā)明的一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明中的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動(dòng)前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明保護(hù)的范圍。另外地，不應(yīng)當(dāng)將本發(fā)明的保護(hù)范圍僅僅限制至下述具體實(shí)驗(yàn)方法或具體參數(shù)。

如圖1所示，為本發(fā)明的一種基于鈮酸鋰材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)，包括由第一摩擦材料組成的正極性摩擦層1、由第二摩擦材料組成的負(fù)極性摩擦層2、第一電極3、第二電極4，其中，所述正極性摩擦層1與第一電極3相接觸，所述負(fù)極性摩擦層2與第二電極4相接觸，所述正極性摩擦層1與負(fù)極性摩擦層2之間接觸或分離設(shè)置，當(dāng)有交變外力作用在所述摩擦納米發(fā)電機(jī)時(shí)，正極性摩擦層1與負(fù)極性摩擦層2會(huì)發(fā)生接觸/分離或相對(duì)滑動(dòng)，使第一電極3和第二電極4之間產(chǎn)生交流電信號(hào)。

其中，所述正極性摩擦層1與負(fù)極性摩擦層2在接觸時(shí)會(huì)帶上不同極性的電荷。正極性摩擦層1由于容易失電子而帶正電，負(fù)極性摩擦層2由于容易得電子而帶負(fù)電。上述摩擦層分離/接觸或相對(duì)滑動(dòng)的過程中，其形成的電勢(shì)差會(huì)驅(qū)動(dòng)外電路中產(chǎn)出電荷的移動(dòng)，即形成電流。

本發(fā)明提供的一種基于鈮酸鋰材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)的制備方法包括以下步驟：

步驟1，使用內(nèi)圓切的方法對(duì)由提拉法制成的鈮酸鋰柱狀晶體進(jìn)行(006)面切割(c切)，得到鈮酸鋰單晶薄片，其厚度約為500納米-5毫米，并用膠在鈮酸鋰單晶薄片的+c或-c面粘上金屬電極；或使用激光分子束外延(lmbe)的方法在高摻硅基底上制備鈮酸鋰多晶薄膜，薄膜厚度約為100-500納米，薄膜表面具有一定的不平整度。

步驟2，制備聚二甲基硅氧烷(pdms)并在其表面修飾微結(jié)構(gòu)。將聚二甲基硅氧烷單體與固化劑以質(zhì)量比10∶1混合，攪拌均勻后涂覆在黑硅母版上，去除混合液中的氣泡，在勻膠機(jī)上以一定轉(zhuǎn)速使聚二甲基硅氧烷(pdms)均勻成膜并在恒溫箱中固化剝離。

步驟3，將所述聚二甲基硅氧烷(pdms)不具有微結(jié)構(gòu)的表面和金屬電極通過膠進(jìn)行粘合。

步驟4，分別在金屬電極和高摻硅片上引出銅導(dǎo)線。

步驟5，將步驟1中的帶有金屬電極的鈮酸鋰單晶薄片或帶有高摻硅電極的鈮酸鋰多晶薄膜與步驟3中的聚二甲基硅氧烷(pdms)分別固定在可產(chǎn)生交變力的裝置上，其中鈮酸鋰材料和pdms具有微結(jié)構(gòu)的表面處于相向位置，可以直接接觸摩擦。使用示波器采集輸出電壓。

下面通過實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說明。

實(shí)施例一：

如圖1所示，為本發(fā)明提供的一種基于鈮酸鋰多晶薄膜的摩擦納米發(fā)電機(jī)。包括正極性摩擦層1、負(fù)極性摩擦層2、第一電極3、第二電極4，具體制備過程為：

(1)制備鈮酸鋰多晶薄膜

步驟1、清洗高摻硅基底。首先將高摻硅基底放入氫氟酸中10秒以去除氧化層。取出后使用去離子水沖洗干凈。然后在無水乙醇溶液中超聲15分鐘，最后用去離子水沖洗干凈。

步驟2、安裝靶材和基底。將清洗后的高摻硅基底和鈮酸鋰靶材固定到進(jìn)樣室中。抽取真空，然后將樣品從進(jìn)樣室推入生長室。抽取真空直至生長室真空度達(dá)到10^-5pa。加熱基底至溫度為750℃。

步驟3、調(diào)節(jié)生長氣氛和激光。充入氧氣，關(guān)閉分子泵，使生長室壓強(qiáng)維持在30pa。調(diào)節(jié)激光與靶材的位置，使激光的聚焦光斑較小。設(shè)置靶材與基底的旋轉(zhuǎn)速度和方向。

步驟4、生長薄膜。設(shè)置激光頻率1hz，能量600mj，生長時(shí)間一小時(shí)。

步驟5、薄膜的退火和自然降溫。維持750℃退火一小時(shí)，接著使樣品自然降到室溫后取出樣品。

(2)制備聚二甲基硅氧烷(pdms)并在其表面修飾微結(jié)構(gòu)

步驟1、將聚二甲基硅氧烷單體與固化劑以質(zhì)量比10∶1混合并攪拌均勻，靜置一小時(shí)以去除混合液中的氣泡。

步驟2、將混合液澆注在黑硅母板上，設(shè)置勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)每分鐘，使聚二甲基硅氧烷(pdms)成厚度為200-400微米的薄膜，再次靜置一小時(shí)以去除混合液中的氣泡。

步驟3、將上述樣品放置在恒溫箱中，設(shè)置溫度為85℃，固化時(shí)間40分鐘。

步驟4、將聚二甲基硅氧烷pdms從黑硅母版上剝離。得到表面帶有微結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷(pdms)。

(3)將所述聚二甲基硅氧烷(pdms)不具有微結(jié)構(gòu)的表面和鋁箔通過普通雙面膠粘合。

(4)分別在鋁箔電極和高摻硅電極上引出銅導(dǎo)線。

(5)將步驟1中的帶有高摻硅電極的鈮酸鋰多晶薄膜與步驟3中帶有鋁箔電極的聚二甲基硅氧烷(pdms)分別固定在激振器上，其中鈮酸鋰材料和pdms具有微結(jié)構(gòu)的表面處于相向位置，使用示波器采集輸出電壓。

圖2為上述基于鈮酸鋰多晶薄膜的摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓圖。采用以上步驟所制備出的基于鈮酸鋰材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)，在外部振動(dòng)頻率為9hz時(shí)，輸出電壓峰值為134v，具有穩(wěn)定的電壓輸出能力。

實(shí)施例二：

如圖1所示，為本發(fā)明提供的一種基于鈮酸鋰單晶薄片的摩擦納米發(fā)電機(jī)。包括正極性摩擦層1、負(fù)極性摩擦層2、第一電極3、第二電極4，具體制備過程為：

(1)制備鈮酸鋰單晶薄片

步驟1、使用提拉法制備鈮酸鋰柱狀晶體，并進(jìn)行極化獲得單疇鈮酸鋰晶體。

步驟2、使用內(nèi)圓切的方法對(duì)單疇鈮酸鋰柱狀晶體沿c面進(jìn)行切割，得到厚度為1毫米，長寬均為1厘米的鈮酸鋰單晶薄片。

步驟3、使用雙拋機(jī)對(duì)鈮酸鋰單晶薄片進(jìn)行雙面拋光。

(2)將上述鈮酸鋰單晶薄片與鋁箔通過普通雙面膠粘合。

(3)制備聚二甲基硅氧烷(pdms)并在其表面修飾微結(jié)構(gòu)

步驟1、將聚二甲基硅氧烷單體與固化劑以質(zhì)量比10∶1混合并攪拌均勻，靜置一小時(shí)以去除混合液中的氣泡。

步驟2、將混合液澆注在黑硅母板上，設(shè)置勻膠機(jī)轉(zhuǎn)速為300轉(zhuǎn)每分鐘，使聚二甲基硅氧烷(pdms)成厚度為200-400微米的薄膜，再次靜置一小時(shí)以去除混合液中的氣泡。

步驟3、將上述樣品放置在恒溫箱中，設(shè)置溫度為85℃，固化時(shí)間40分鐘。

步驟4、將聚二甲基硅氧烷pdms從黑硅母版上剝離。得到表面帶有微結(jié)構(gòu)的聚二甲基硅氧烷(pdms)。

(4)將所述聚二甲基硅氧烷(pdms)不具有微結(jié)構(gòu)的表面和鋁箔通過普通雙面膠粘合。

(5)分別在上述兩個(gè)鋁箔電極上引出銅導(dǎo)線。

(5)將步驟1中的帶有鋁箔電極的鈮酸鋰單晶薄片與步驟3中帶有鋁箔電極的聚二甲基硅氧烷(pdms)分別固定在激振器上，其中鈮酸鋰材料和pdms具有微結(jié)構(gòu)的表面處于相向位置，使用示波器采集輸出電壓。

圖3為上述基于鈮酸鋰單晶薄片的摩擦納米發(fā)電機(jī)的輸出電壓圖。采用以上步驟所制備出的基于鈮酸鋰材料的摩擦納米發(fā)電機(jī)，在外部振動(dòng)頻率為9hz時(shí)，輸出電壓峰值為84v，具有穩(wěn)定的電壓輸出能力。

以上所述制備步驟，根據(jù)實(shí)際需要可調(diào)整工藝順序或刪減工藝步驟，例如采用如下步驟：

步驟1，制備鈮酸鋰單晶薄片并與金屬電極進(jìn)行粘合或在高摻硅基底上制備鈮酸鋰多晶薄膜；

步驟2，制備聚二甲基硅氧烷(pdms)并在其摩擦表面修飾微結(jié)構(gòu)；

步驟3，將所述聚二甲基硅氧烷(pdms)未修飾微結(jié)構(gòu)的一面和金屬薄片進(jìn)行粘合；

步驟4，分別在金屬電極和高摻硅電極上引出銅導(dǎo)線；

步驟5，將步驟1中制備的帶有電極的鈮酸鋰材料和將步驟3中制備的帶有電極的聚二甲基硅氧烷(pdms)分別固定在可產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)的裝置上，所述帶有電極的鈮酸鋰材料和所述pdms具有微結(jié)構(gòu)的表面處于相向位置；

步驟6，可產(chǎn)生相對(duì)移動(dòng)的裝置工作時(shí)，帶動(dòng)鈮酸鋰材料和聚二甲基硅氧烷發(fā)生接觸/分離或相對(duì)滑動(dòng)，使用示波器采集輸出電壓。

其中步驟1中，鈮酸鋰單晶薄片為(006)晶面切割的c向，薄片厚度約為500納米-5毫米，并用膠粘上金屬電極。以及步驟1中，鈮酸鋰多晶薄膜采用激光分子束外延(lmbe)的方法制備而成；薄膜厚度為100納米-500納米，薄膜表面具有不平整度。進(jìn)一步地，步驟2中，制備聚二甲基硅氧烷(pdms)微結(jié)構(gòu)的方法是使用黑硅作為母版。

本發(fā)明未詳細(xì)闡述部分屬于本領(lǐng)域技術(shù)人員的公知技術(shù)。以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所做的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。