一種復合結構機電換能材料的制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于功能材料技術領域，涉及一種能夠實現(xiàn)機械能和電能相互轉換的復合結構機電換能材料的制備方法。
【背景技術】
[0002]換能器是一種能量轉換器件，能夠將一種形式的能量轉化成另一種形式的能量。這些能量形式包括(但不限于)電能、機械能、電磁能(包含光能)、化學能、聲能和熱能。而在換能器中，起關鍵作用的即是換能材料。目前，在環(huán)境振動能量采集器和生物動能能量采集器中廣泛應用的換能材料是壓電材料(包括壓電陶瓷和鐵電聚合物)。壓電材料是一種機電換能材料，能夠實現(xiàn)機械能和電能之間的轉換。
[0003]壓電材料又可以分為無機壓電材料、有機壓電材料及復合壓電材料，其可以實現(xiàn)機械能和電能之間的轉換，其工作原理為:如果對壓電材料施加壓力，它便會產生電位差(稱之為正壓電效應)，反之施加電壓，則產生機械應力(稱為逆壓電效應)，也就是說壓電材料可以因機械變形產生電場，也可以因電場作用產生機械變形，這種固有的機-電耦合效應使得壓電材料在工程中得到了廣泛的應用，現(xiàn)已廣泛地應用于各種聲電傳感器、力學傳感器、振動能量采集等領域。
[0004]目前，用于制備機電換能材料的方法有很多，申請?zhí)枮?00810067783.X的中國發(fā)明專利公布了一種壓電復合材料及其制備方法，該壓電復合材料包括填充物和至少兩層壓電材料，根據各層壓電材料的極性，相鄰層壓電材料反向設置，各層壓電材料三維連通設置，所述填充物一維連通裝置；在所述壓電復合材料的各工作面，分別設置工作面電極，在平行于所述壓電復合材料工作面的截面中，所述壓電材料以規(guī)則條形組合的形式連通設置，所述填充物隔離設置。
[0005]然而，現(xiàn)有的用于制備換能材料的方法往往步驟較為復雜，工藝條件控制較為繁瑣，而且方法局限性較大，不能滿足多樣化工況需求，這會直接限制換能材料的推廣使用。
【發(fā)明內容】
[0006]本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術存在的缺陷而提供一種步驟簡單，操作方便，能夠獲得優(yōu)異機電耦合性能的用于制備復合結構機電換能材料的方法。
[0007]本發(fā)明的目的可以通過以下技術方案來實現(xiàn):
[0008]一種用于制備復合結構機電換能材料的方法，該方法是將聚合物通過熱塑工藝、澆注工藝或壓印工藝制成波浪形聚合物膜，然后將導電電極覆蓋在波浪形聚合物膜的一個表面上，并向波浪形聚合物膜未覆蓋導電電極的自由面進行充電，再將波浪形聚合物膜充電后的自由面的突出部分與導電膜粘合在一起，即制成所述的復合結構機電換能材料。
[0009]其中，所述的熱塑工藝、澆注工藝、壓印工藝均為公知現(xiàn)有技術。
[0010]一種用于制備復合結構機電換能材料的方法，其特征在于，具體包括以下步驟:
[0011](I)將聚合物通過熱塑工藝、澆注工藝或壓印工藝制成波浪形聚合物膜；
[0012](2)將導電電極覆蓋在步驟(I)制得的波浪形聚合物膜的一個表面上；
[0013](3)向步驟⑵中波浪形聚合物膜未覆蓋導電電極的自由面進行充電；
[0014](4)將步驟(3)中波浪形聚合物膜充電后的自由面的突出部分與導電膜粘合在一起，即制得所述的復合結構機電換能材料。
[0015]一種用于制備復合結構機電換能材料的方法，其特征在于，具體包括以下步驟:
[0016](A)將聚合物通過熱塑工藝、澆注工藝或壓印工藝制成波浪形聚合物膜；
[0017](B)對步驟㈧制得的波浪形聚合物膜進行充電；
[0018](C)待步驟(B)充電結束后，將導電電極覆蓋在帶有電荷的波浪形聚合物膜未充電的表面上；
[0019](D)將步驟(C)中波浪形聚合物膜充電后的自由面的突出部分與導電膜粘合在一起，即制得所述的復合結構機電換能材料。
[0020]一種用于制備復合結構機電換能材料的方法，其特征在于，具體包括以下步驟:
[0021](a)將聚合物通過熱塑工藝、澆注工藝或壓印工藝制成波浪形聚合物膜；
[0022](b)將導電電極覆蓋在步驟(a)制得的波浪形聚合物膜的一個表面上；
[0023](c)將步驟(b)中波浪形聚合物膜未覆蓋導電電極的自由面上的突出部分與導電膜粘合在一起，制得復合結構膜；
[0024](d)向步驟(C)制得的復合結構膜的兩個電極施加直流偏壓進行充電，即制得所述的復合結構機電換能材料。
[0025]所述的聚合物包括聚四氟乙烯(PTFE)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)、環(huán)烯烴聚合物、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亞胺(PI)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)或聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)中的一種。
[0026]所述的導電電極材料包括鋁、金、銀、石墨或石墨烯中的一種。
[0027]所述的導電電極的覆蓋方法包括真空蒸鍍、絲網印刷、磁控濺射或導電膠帶粘合中的一種。
[0028]所述的波浪形聚合物膜未覆蓋導電電極的自由面的突出部分涂覆膠黏劑或設置雙面粘性膠帶，并且所述的波浪形聚合物膜未覆蓋導電電極的自由面通過膠黏劑或雙面粘性膠帶與導電膜粘合在一起。
[0029]所述的導電膜包括鋁箔、銅箔、鋁板、銅板、不銹鋼板、導電聚合物膜或導電復合膜中的一種。
[0030]所述的充電的方法為電暈極化法、接觸充電法、離子注入法或電子束注入法中的一種。
[0031]采用本發(fā)明制備所得的成品復合結構機電換能材料，具有部分壓電材料的性能，能夠實現(xiàn)機械能和電能之間的轉換，可應用于智能服裝、環(huán)境振動能量采集器、生物動能能量采集器、聲電傳感器、機器人肌膚、智能結構等領域。
[0032]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明具有以下特點:
[0033]I)本發(fā)明制備方法簡單，同時制得的復合結構機電換能材料具有優(yōu)異的機電耦合性能；
[0034]2)本發(fā)明制得的復合結構機電換能材料整體厚度較小，可以應用于智能服裝、環(huán)境振動能量采集器、生物動能能量采集器、聲電傳感器、機器人肌膚、智能結構等領域；
[0035]3)本發(fā)明可以將廉價的原材料轉變成具有高附加值的機電換能材料。
【附圖說明】
[0036]圖1為實施例1制備所得基于FEP膜的復合結構機電換能材料的結構示意圖；
[0037]圖2為實施例1制備所得基于FEP膜的復合結構機電換能材料的電荷分布示意圖；
[0038]附圖標記說明:
[0039]I 一導電膜、2—波浪形聚合物膜、3—導電電極。
【具體實施方式】
[0040]下面結合附圖和具體實施例對本發(fā)明進行詳細說明。本實施例以本發(fā)明技術方案為前提進行實施，給出了詳細的實施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護范圍不限于下述的實施例。
[0041]實施例1:
[0042]如圖1-2所示，本實施例制備基于FEP膜的復合結構機電換能材料，具體包括以下步驟:
[0043](I)首先將刻有溝槽的銅質模板放置在熱壓機的金屬板上，然后在模板上依次放置12.5um厚的FEP薄膜和厚度為Imm的橡膠墊，在100°C和2MPa的壓力下熱壓5min，然后在20°C和2MPa下冷壓lOmin，從模板上取出FEP膜，制得FEP波浪形聚合物膜2 ；
[0044](2)在FEP波浪形聚合物膜2 —面通過真空蒸鍍工藝覆蓋10nm厚的導電電極3 ；
[0045](3)采用電暈極化法對FEP波浪形聚合物膜2未覆蓋導電電極3的自由面進行電暈充電，控制電暈電壓為-10kV，充電時間為60s ；
[0046](4)在未覆蓋導電電極3的自由面的波浪突出部分設置雙面粘性膠帶，并通過雙面粘性膠帶將FEP波浪形聚合物膜2與厚度為0.4mm的導電膜I粘合在一起，即制得基于FEP膜的復合結構機電換能材料。
[0047]本實施例中，導電電極3為鋁導電電極，導電膜I為銅板，從制備所得的基于FEP膜的復合結構機電換能材料上，裁剪出直徑為20mm的圓形樣品，當在樣品上施加0.5N的作用力時，靜電表檢測到的電極上感應電荷量的變化值為4465pC。
[0048]實施例2:
[0049]本實施例制備基于FEP膜的復合結構機電換能材料，具體包括以下步驟:
[0050](I)首先將刻有直徑為2_圓形貫通孔洞的不銹鋼模板放置在帶有真空系統(tǒng)的熱塑機面板上，然后在模板上放置12.5um厚的FEP薄膜，打開真空和遠紅外加熱系統(tǒng)，控制FEP膜的溫度在200°C，熱塑時間為2s，從模板上取出FEP膜，得到帶有凸起結構的FEP波浪形聚合物膜2 ;
[0051](2)在FEP波浪形聚合物膜2含有凹陷結構的一面，通過真空蒸鍍工藝覆蓋10nm厚的導電電極；
[0052](3)采用電暈極化法對FEP波浪形聚合物膜2未覆蓋導電電極的自由面進行電暈充電，控制電暈電壓為-10kV，充電時間為60s ；
[0053](4)在未覆蓋導電電極的自由面的波浪突出部設置雙面粘性膠帶，并通過雙面粘性膠帶將FEP波浪形聚合物膜2與厚度為0.4mm的導電膜粘合在一起，即制得基于FEP膜的復合結構機電換能材料。
[0054]本實施例中，導電電極3為鋁導電電極，導電膜I為銅板，從制備所得的基于FEP膜的復合結構機電換能材料上，裁剪出直徑為20mm的圓形樣品，當在樣品上施加0.5N的作用力時，靜電表檢測到的電極上感應電荷量的變化值為835pC。
[0055]實施例3:
[0056]本實施例制備基于PTFE膜的復合結構機電換能材料，具體包括以下步驟:
[0057](A)將PTFE聚合物通過澆注工藝制成PTFE波浪形聚合物膜2 ；
[0058](B)對步驟(A)制得的PTFE波浪形聚合物膜2進行充電；
[0059](C)待步驟(B)充電結束后，采用磁控濺射工藝將導電電極3覆蓋在帶有電荷的PTFE波浪形聚合