[发明专利]提升摩擦纳米发电机输出性能的方法及薄膜和制备方法

说明书

本发明提供一种提升摩擦纳米发电机输出性能的方法及薄膜和制备方法，利用外力拉伸在摩擦纳米发电机的聚合物基复合薄膜层内部平行散布、排列纳米片铁电材料并达到塑性效果。本发明提出的聚合物薄膜中平行散布的二维铁电陶瓷纳米片阵列结构，可有效阻止薄膜中击穿相延垂直于摩擦纳米发电机聚合物薄膜方向的生长，提高纳米复合薄膜的击穿强度，从而使得聚合物薄膜在击穿前能容纳的表面电荷密度增加，同时二维纳米片铁电材料的平行排列显著地降低聚合物基复合薄膜的有效介电常数，使摩擦纳米发电机的输出性能得到进一步提升。

技术领域

本发明属于纳米材料领域、微纳能源领域，涉及成膜技术，具体涉及一种提升摩擦纳米发电机输出性能的方法、制备方法及应用。

背景技术

随着化石燃料的快速消耗，能源短缺和环境污染成为当今社会面临的两大难题，而摩擦纳米发电机的发明，推动了环境机械能的有效收集，例如可以从太阳，风，海浪等可再生自然资源中获取能量，且不会排放任何污染环境的物质，是解决能源危机和环境污染问题的一种有效的方法。由于其具有轻便、灵活、选材范围广等特点，可收集来自人体、自然环境中低频且不规律的机械能，为小型电子器件提供能量，使其在触屏技术、电子皮肤、医疗保健、基础设施监控、环境监测等方面都具有潜在应用。与传统的发电方法不同，摩擦纳米发电机可以利用绝大多数机械能作为动力源发电，包括声波、人体运动、机械振动、空气流动、雨滴下落等容易被忽略的微小能量，又可以集成多个小单元来收集风力、水力和海洋能等大能源。因此，摩擦纳米发电机广泛应用于微纳能源领域、自供能领域以及可再生清洁能源领域。

摩擦纳米发电机作为能量收集器，其应用很大程度上取决于其输出性能，摩擦纳米发电机的功率密度与表面摩擦电荷密度呈二次方关系，因此人们努力通过材料选择和结构优化等方式提高电荷密度，从而扩展摩擦纳米发电机的应用领域。例如通过电离放电，人工注入电荷是提高电荷密度的直接方法，但这种方式的缺点是TENG的长期稳定性不好；将TENG放置于真空环境下，使其突破了空气击穿的限制，在宏观层面，采用弹性材料增加接触面积，选择摩擦极性差异大的两种材料等方式来增加表面电荷密度也可以提高TENG的输出性能。然而，在所有先前的研究中，聚合物薄膜的表面电荷密度依然受到介电击穿现象的限制，使得TENG和其他摩擦电器件中聚合物薄膜的最大可保留电荷密度无法进一步增加。

为了进一步提高TENG的输出性能，扩展摩擦电的应用范围，有必要在微观层面对摩擦电材料的结构进行改进，增加聚合物薄膜的电荷密度。在微观层面设计摩擦电材料结构的方法操作简单、成本低廉、实用性高，改善了摩擦纳米发电机的应用前景，扩大了应用范围，为摩擦电纳米发电机的优化提供了一个新的研究方向。

发明内容

鉴于以上所述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种提升摩擦纳米发电机输出性能的方法、制备的起电薄膜及制备方法。

为实现上述发明目的，本发明技术方案如下：

一种提升摩擦纳米发电机输出性能的方法，在聚合物薄膜中散布二维纳米片铁电材料形成纳米复合起电薄膜，二维平行纳米片铁电材料在聚合物薄膜中平行于聚合物薄膜上表面排成阵列，引导摩擦接触面摩擦电荷形成的电场横向传播，并阻止薄膜中击穿相延电场线的生长，提高纳米复合起电薄膜的击穿强度，使得纳米复合起电薄膜在击穿前能容纳的表面电荷密度增加，二维纳米片铁电材料阵列同时用于降低复合起电薄膜的介电常数，提升发电机的输出响应。

作为优选方式，纳米复合起电薄膜是铁电陶瓷和聚合物的复合物，是将平行于聚合物薄膜表面的二维铁电陶瓷纳米片填充并散布到聚合物薄膜而构成的，二维铁电陶瓷纳米片平行于薄膜带电荷面，用于阻碍击穿相衍生。

作为优选方式，将二维纳米片铁电材料填充并散布到聚合物薄膜中，通过在50℃-100℃下单轴拉伸聚合物薄膜使方向混乱的纳米片平行排列，薄膜拉伸后，在50℃-100℃下保持5-30min使得聚合物薄膜长度固定。