[发明专利]压电薄膜发电器及其制作方法

说明书

技术领域

本发明涉及新能源技术领域，特别是涉及一种可直接印刷或涂覆在衣物、房屋墙壁、门窗、广告牌等基底表面的压电薄膜发电器及其制作方法。

背景技术

压电效应是材料中一种机械能与电能互换的现象，最早于1880年由居里兄弟发现。压电材料可以因机械变形产生电场，也可以因电场作用产生机械变形，这种固有的机-电耦合效应使得压电材料在工程中得到广泛的应用。近年来，由于能源问题的重要性，利用压电效应捕获各类机械能的研究受到了国内外的广泛重视，这类发电机主要是由作用力引起力-电转化效应进而发电的。

通常，用于制作发电机的材料主要包括两类：类似于钡钛酸盐(BaTiO₃)或铅锆酸盐、铅钛酸盐(PZT-5A,PZT-5H)的压电陶瓷，以及类似于聚偏二氟乙烯(PVDF)的压电聚合物。在这些材料中，PZT的脆性严重制约了其应用范围。相比之下，PVDF的柔性和强度都因体积因数的减少而大得多，不过其电耦合效率也低许多。近来的研究显示，组分为PZT或PVDF的纤维在聚合物基质上经微纤维复合加工得到的复合压电纤维(PFC)，可同时表现出较好的柔性和耦合效率。然而，基于上述材料的传统压电发电器制备过程和工艺十分复杂，限制了其广泛应用。

目前，国际上报道了采用氧化锌（ZnO）纳米线压电材料将纳米级机械变形转化为电能的方法。氧化锌是由ⅡB族元素Zn和Ⅵ族元素O化合而成的半导体材料，在各种具有四面体结构的半导体材料中，氧化锌有着最高的压电张量。该特性使得氧化锌成为机械电耦合重要的材料之一。ZnO纳米线具有独特的压电效应，可以同时将变形转化为电能并且显示出Schotty半导体特性。最初的实验是通过原子力显微镜(AFM)去弯折纳米线，可以得到几毫伏电压。在这一实验的基础上，由超声波驱动的直流纳米发电机相继被开发出来，可得到数伏电压的量级，逐渐趋于实用。这一方法提供了适应性强的发电方案，可以将多种人体能量带来的机械振动、超声或者是液压能转化为所需的电能。然而，这类基于纳米线或其阵列制成的发电器仍然存在着制备和集成上的较大困难，瓶颈在于纳米线制备和有序排列、组装、电路连接与焊接等精细环节所要求的工艺较为复杂，对于规模化工业生产尚存一定难度。

发明内容

（一）要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是如何将压电薄膜发电器直接印刷或涂覆在衣物、房屋墙壁、门窗、广告牌等基底表面，并实现压电薄膜发电器的规模化普及应用。

（二）技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种压电薄膜发电器，包括基底，所述基底上设有压电薄膜，所述压电薄膜的两端分别垂直地设有薄膜电极，所述压电薄膜两端的薄膜电极通过导线连接形成闭合回路，所述闭合回路中接入蓄电设备；所述基底的一侧与外部动力机构连接，所述外部动力机构为基底提供机械能。

其中，所述压电薄膜采用低熔点金属油墨在所述基底上印刷或涂覆而成。

其中，所述低熔点金属油墨为：采用添加有纳米压电颗粒和/或导电性纳米颗粒的低熔点金属或合金制成，或采用添加有纳米压电颗粒和/或导电性纳米颗粒的低熔点金属或合金经氧化处理而成。

其中，所述薄膜电极采用低熔点金属在所述基底上印刷或涂覆而成。

其中，所述低熔点金属包括：镓、锌、钠、钾和汞中的至少一种；所述低熔点合金包括：镓锌合金、镓铟合金、镓锡合金、铟锡合金、镓铟锡合金、镓铟锡锌合金、镓铟锡锌铋合金或钠钾合金中的至少一种。

其中，采用具有生物相容性的封装材料将所述基底、压电薄膜、薄膜电极、导线和蓄电池进行封装。

其中，所述压电薄膜为一根或多根。

其中，所述基底为衣物、屋顶、玻璃、门窗、墙壁、广告牌、车辆外壁、轮船外壁、飞机外壁或路面。

本发明还提供一种压电薄膜发电器的制作方法，包括以下步骤：S1、以一种或多种低熔点金属配制成流动性满足喷涂要求的金属溶液，并对之予以搅拌确保金属部分氧化而形成低熔点金属油墨；S2、确定待喷涂的基底，将配制好的低熔点金属油墨以薄膜线的形式印刷或涂覆在基底上，形成发电的压电薄膜；或直接将低熔点金属油墨印刷或涂覆在基底后作氧化处理形成压电薄膜；S3、再将低熔点金属以电极的形式印刷或涂覆在压电薄膜的两端形成薄膜电极，压电薄膜两端的薄膜电极通过导线连接诶形成闭合回路，并在所述闭合回路中接入蓄电设备；S4、将所述基底的一侧与外部动力机构连接。

其中，在步骤S4之后还包括步骤S5：采用具有生物相容性的封装材料对所述基底、压电薄膜、薄膜电极和蓄电池进行封装。

（三）有益效果