[发明专利]一种磁力驱动的纳米发电机

说明书

技术领域

本发明涉及一种纳米发电机及这种发电机的制备方法，特别是一种依靠磁力驱动的纳米发电机及制备方法。

背景技术

纳米发电机是美国佐治亚理工学院教授、中国国家纳米科学中心海外主任王中林等在2006年首次提出并研制成功的基于纳米级压电材料的发电装置。参见：王中林，宋金辉，Science，April 2006，Vol 312，No.5771；王旭东，宋金辉，Science，April 2007，Vol 316，No.5821；秦勇，王旭东，Nature，February 2008，Vol451，No.7180。这一装置可以整合纳米器件，为其它纳米器件提供能量，实现真正意义上的纳米系统。纳米发电机可以收集各种形式的机械能：比如人体运动、肌肉收缩等所产生的能量；声波引发震动产生的能量；体液流动、血液流动和动脉收缩产生的能量等等，并最终将这些能量转化为电能提供给纳米器件。这一纳米发电机所产生的电能足够供给纳米器件或系统所需，从而让无纳米器件或纳米机器人实现能量自供。纳米发电机目前虽然仍没有投入到实际应用但其无论在生物医学、军事、无线通信和无线传感等方面广泛的应用前景是显而易见的。

目前，用于制作纳米发电机的材料主要分两种，分别是压电半导体与铁电材料。最初而且也是应用最多的是氧化锌纳米线，氧化锌作为一种半导体材料具有优异的光学、生物学性能。以它为核心制制作的纳米发电机既能靠其压电性能实现机械能向电能的转换，又能依靠其生物相容性把器件植入到生物体内。铁电材料普遍具有较高的压电系数，用它来制作的纳米发电机会有更高的输出电压。

纳米发电机虽然都是依靠机械能到电能的转化向外输出能量，但是由于机械能有着各种各样的表现形式，所以纳米发电机的驱动方式也有很多种。目前，已经出现的驱动方式主要有以下几种：1、依靠两片基底摩擦使基底上的纳米线弯曲，从而产生压电势。参见：秦勇，王旭东，Nature，February 2008，Vol 451，No.7180。2、弯曲弹性基底使处于拉伸面的压电材料拉伸，从而产生压电势。参见：朱光，杨如森，Nano Letters，July 2010，Vol 10，8。3、直接挤压使压电材料压缩，从而产生压电势。参见：胡友凡，张扬，徐晨，Nano Letters，November 2010，Vol10，No.12。4、超声波驱动产生压电势。参见：王旭东，Nano Letters，May 2007，Vol 7，No.8。

发明内容

本发明提供一种制备工艺简单，制造成本低廉，重复性好，输出能量密度大，可在磁场力作用下实现无线驱动的压电材料纳米发电机，同时提供了这种电机的制备方法。

本发明的磁力驱动的无线纳米发电机为：在至少一个基片上有两个相互间绝缘的电极，在两个相互间绝缘的电极上置有至少一条线状的压电材料一端，其中两个相互绝缘的电极分别和线状压电材料上与基片面平行的轴面的上方和下方相接触，线状压电材料的另一端外伸于基片之外，并在线状压电材料的外伸端点处固定设有一个用磁性材料构成的微小颗粒，在这个微小颗粒外的附近设置有一个磁场强度可周期改变的磁场。本发明的发电机中所用的线状的压电材料可以是：氧化锌或锆钛酸铅或铌酸锂或硫化镉或聚偏氟乙烯或钡钛氧或偏锡酸锌或锆钛酸钡钙，等。本发明的线状压电材料的外伸端点处固定设有一个用磁性材料构成的微小颗粒是指用磁性材料粉末，如氧化铁或与粘结材料制备的小颗粒；本发明的磁场强度可周期性的磁砀可以是一个安装于机械装置上的可使其与用磁性材料构成的微小颗粒间距离发生周期性改变的恒磁铁或电磁铁，也可以是固定设置在用磁性材料构成的微小颗粒外一定距离处的其磁场强度可周期性改变的电磁铁，所设置的磁场强度可周期改变的磁场位置应满足当该磁场发生改变引起线状压电材料弯曲变形时，线状压电材料与两个电极的接触点分别处于拉伸面和压缩面。需说明的是基片上的所设置的两个相互间绝缘的电极可以是两电极间沿线状压电材料长度方向有一个间隔，也可是位于线状压电材料的同一长度位置。在前一种情况下这个两电极与压电材料的接触位置分别是：一个接触位置在线状压电材料与基片面平行的轴面的上方，而另一个接触位置在前一个接触位置外的另一位置的与基片面平行的轴面的下方；在后述的情况下这个两电极与压电材料的接触位置分别是位于压电材料的同一长度处且在线状压电材料与基片面平行的轴面的上方和下方。