一种正交取向化二维复合材料、制备方法与柔性纳米发电机技术

本发明专利技术涉及纳米发电机领域，特别涉及一种正交取向化二维复合材料、制备方法与柔性纳米发电机。其中，一种正交取向化二维复合材料，由氮化硼纳米片与紫外固化胶混合，后经电场正交取向化，并进行紫外固化制得，所述氮化硼纳米片由氮化硼粉末经超声液相剥离后筛选得到，正交电场施加平行于发电薄膜法向方向。本发明专利技术提供的柔性纳米发电机，采用紫外固化胶固化的正交取向氮化硼纳米片，配合上下电极，最终制得的纳米发电机具有高输出电压，最高能达到50～60V，电流可超过100nA，性能突出，柔性稳定，并且柔性纳米发电机整体制备过程简便，具有大规模推广应用的潜力。模推广应用的潜力。模推广应用的潜力。

【技术实现步骤摘要】
一种正交取向化二维复合材料、制备方法与柔性纳米发电机


[0001]本专利技术涉及纳米发电机领域，特别涉及一种正交取向化二维复合材料、制备方法与柔性纳米发电机。

技术介绍

[0002]随着科技的进步发展，越来越多的可穿戴设备出现在我们的生活当中，比如智能眼镜/手表/衣物等等，而这些可穿戴设备往往对自身的体积和重量有很高的要求，设备中无法忽略的部分就是他们的供能系统。而传统供能系统的体积和重量无法满足可穿戴设备的要求，而拥有小体积且能够持续供电的纳米发电机可以很好满足可穿戴设备的两大要求。
[0003]纳米发电机是以微小材料结构或混合物的为器件正交取向化二维复合材料，通过施加外部应力造成器件接触或形变，使得正交取向化二维复合材料通过自身的压电效应或摩擦起点产生感应电荷，再通过外部电路使得电荷移动，最终实现发电的目的。纳米发电机可以收集机械能，例如人体肌肉收缩或运动所产生的能量；微小震动的能量，例如超声波或体液、血液流动所产生的能量，并将这些能量转化为电能。但由于器件本身内阻太大，大多数纳米发电机的短路电流很小，因此输出功率不大。同时，现有纳米发电机制备过程繁琐，难以大规模推广。

技术实现思路

[0004]为解决现有纳米发电机的电流小，输出功率不足且制备过程繁琐的问题，本专利技术提供一种正交取向化二维复合材料，由氮化硼纳米片与紫外固化胶混合，然后经电场取向化及紫外固化制得；所述氮化硼纳米片由氮化硼粉末经超声液相剥离后筛选得到，所述电场平行于正交取向化二维复合材料设计受压方向。
[0005]在一些实施例中，所述液相剥离过程为将氮化硼纳米粉末加入有机溶液中进行超声处理，即制得氮化硼纳米片。具体的，超声处理条件优选超声频率100～200kHz，超声处理时间为4～12h。进一步的，超声频率为180kHz，超声处理时间为5h。
[0006]在一些实施例中，所述有机溶剂为1：1的水和异丙醇的混合溶液。
[0007]在一些实施例中，所述筛选过程为将液相剥离后得到含氮化硼纳米片的溶液放入离心机中先一次离心，收集离心管内的上清液，然后对上清液进行二次离心，收集底部沉淀及溶液，最后干燥底部沉淀及溶液，即得到筛选后的氮化硼纳米片。具体的，所述一次离心转速3000～5000rpm，离心时间10～30min；所述二次离心转速8000～10000rpm，离心时间10～30min；进一步的，一次离心选用4000rpm下离心10min，二次离心选用9000rpm下离心30min；所述上清液为离心管的上2/3液体，所述底部沉淀及溶液为离心管的下1/5的液体及沉淀。
[0008]在一些实施例中，筛选后的氮化硼纳米片尺寸为100～400nm。
[0009]在一些实施例中，所述电场为匀强电场。优选的，所述电场可通过对正交取向化二
维复合材料的正负电极施加电压得到，所述电压为0～1000V。
[0010]在一些实施例中，所述正交取向化二维复合材料厚度为0.01cm～0.5cm。
[0011]在一些实施例中，所述电场取向化及紫外固化过程为将筛选后的氮化硼纳米片与紫外固化胶混合，然后经超声处理混合均匀后，再将混合物施加电场预处理，然后在紫外光及电场下进行固化。实际生产过程中，可根据采用的紫外固化胶的具体型号及用量对应设置紫外固化时间。具体的，紫外固化胶可选用NOA65，电场预处理时间为10～15min，紫外固化时间为30min。进一步的，超声频率为180kHz，超声处理30～60min。
[0012]在一些实施例中，所述氮化硼纳米片质量为所述正交取向化二维复合材料总质量的0.1wt％～5wt％。具体的，所述正交取向化二维复合材料总质量为氮化硼纳米片质量与紫外固化胶质量的总和。
[0013]本专利技术还提供一种制备如上任意所述的正交取向化二维复合材料的制备方法，步骤如下：
[0014]S1、将1：1的去离子水和异丙醇溶液混合后，加入氮化硼纳米粉末进行超声处理，制得氮化硼纳米片。
[0015]S2、将超声完毕得到的包含氮化硼纳米片的溶液放入离心机中先一次离心，收集离心管内的上清液，然后将上清液二次离心，收集底部沉淀及溶液，最后干燥底部沉淀及溶液，即得到合适的氮化硼纳米片。
[0016]S3、将氮化硼纳米片与紫外固化胶混合后超声处理，再将混合物置于匀强电场下预处理，最后使用紫外光配合匀强电场固化即制得所述正交取向化二维复合材料。
[0017]本专利技术还提供一种应用了如上任意所述正交取向化二维复合材料的柔性纳米发电机，包括所述正交取向化二维复合材料与纳米发电机器件。所述纳米发电机器件包括上下电极与支撑结构；所述正交取向化二维复合材料设置于所述上下电极之间，所述支撑结构设于所述正交取向化二维复合材料两侧。
[0018]在一些实施例中，纳米发电机由氮化硼纳米片与紫外固化胶的混合物直接置入纳米发电机器件中，紫外固化得到。即使用纳米发电机器件替代模具，使纳米发电机直接成型。
[0019]在一些实施例中，所述上下电极为导电薄膜或金属纳米线；所述支撑结构为有机薄膜。
[0020]在一些实施例中，所述导电薄膜为氧化铟锡(ITO)薄膜；所述金属纳米线可为铜、金、银、铂纳米线中任意一种；所述有机薄膜为聚酰亚胺(PI)薄膜、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)薄膜、聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜及聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜中的任意一种。具体的，可通过控制有机薄膜厚度调节纳米发电机厚度。
[0021]基于上述，本专利技术提供的一种柔性纳米发电机，具备如下有益效果：
[0022]1、本专利技术采用紫外固化经电场正交取向化的氮化硼纳米片，配合ITO薄膜上下电极，最终制得的纳米发电机具有高输出电压，最高能达到50～60V，电流可超过100nA，性能突出，柔性稳定。
[0023]2、本专利技术提供的柔性纳米发电机即氮化硼纳米发电机(BNNG)在有外力作用在器件上的时候，正交取向化二维复合材料中的氮化硼纳米片(BNNS)的反转对称性被打破，从而产生非零的偶极矩，这种现象就导致了压电电势的产生，使得电子聚集在一侧的电极附
近，聚集的电子就通过外电路运动到另一侧电极上，从而平衡电位差；在松手之后压电电势消失，积累的电子流回，从而实现发电。
[0024]3、本专利技术采用ITO薄膜作为上下电极，ITO薄膜本身是柔性材料，能使发电机弯折，符合压电发电机的发电过程；并且，ITO薄膜能够导电，从而使得电子能够通过ITO薄膜经由外电路到达另一侧的ITO薄膜极板上；同时，ITO薄膜为透明薄膜，具有更大的应用潜力。
[0025]4、本专利技术整体制备过程简便，具有大规模推广应用的潜力。
[0026]本专利技术的其它特征和有益效果将在随后的说明书中阐述，并且，部分地从说明书中变得显而易见，或者通过实施本专利技术而了解。本专利技术的目的和其他有益效果可通过在说明书、权利要求书中所指出的结构和/或组分来实现和获得。
附图说明
[0027]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种正交取向化二维复合材料，其特征在于：由氮化硼纳米片与紫外固化胶混合，然后经电场正交取向化，并进行紫外固化制得；所述氮化硼纳米片由氮化硼粉末经超声液相剥离后筛选得到，所述电场平行于所述正交取向化二维复合材料的设计受压方向。2.根据权利要求1所述的正交取向化二维复合材料，其特征在于：所述液相剥离过程为将氮化硼纳米粉末加入有机溶液中进行超声处理，即制得氮化硼纳米片。3.根据权利要求2所述的正交取向化二维复合材料，其特征在于：所述筛选过程为将液相剥离后得到含氮化硼纳米片的溶液放入离心机中先一次离心，收集离心管内的上清液，然后对上清液进行二次离心，收集底部沉淀及溶液，最后干燥底部沉淀及溶液，即得到筛选后的氮化硼纳米片。4.根据权利要求3所述的正交取向化二维复合材料，其特征在于：筛选后的氮化硼纳米片尺寸为100～400nm。5.根据权利要求1所述的正交取向化二维复合材料，其特征在于：所述电场为匀强电场。6.根据权利要求1所述的正交取向化二维复合材料，其特征在于：所述氮化硼纳米片质量为所述正交取向化二维复合材料总质量的0....

【专利技术属性】
技术研发人员：蔡端俊，蔡叶杭，刘国振，唐燕，周其程，陈小红，许飞雅，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：