[发明专利]一种二氧化钛/碳纳米花复合PDMS薄膜的制备方法及应用

说明书

本发明涉及能量转化材料及器件技术，旨在提供一种二氧化钛/碳纳米花复合PDMS薄膜的制备方法及应用。包括：将环己烷与聚二甲基硅氧烷混合、搅拌至澄清；然后将二氧化钛/碳纳米花填充材料分散在其中，得到均匀的悬浊液；加入固化剂并搅拌，将悬浊液以旋涂方式涂覆在带有铝电极的亚克力板上，干燥成型得到薄膜状的复合材料。本发明制备工艺简单，可重复性高，适合量产。能显著提升界面极化效应，以及原位引入的导电碳单质在复合材料中构筑大量局部微电容，者协同改善介电性能，提高表面电荷密度进而提高摩擦纳米发电机的输出性能。可通过调节二氧化钛/碳纳米花的含量，实现对摩擦纳米发电机器件输出性能的调控；能将低频机械能转化为电能。

技术领域

本发明涉及一种二氧化钛/碳纳米花复合PDMS的柔性纳米摩擦发电机的制备方法，属于能量转化材料及器件技术领域。

背景技术

近年来，电子设备的快速发展呈现小型化、轻量化、智能化、可移动和多功能的趋势。小型电子产品和传感器数量巨大且分布广泛，仅利用传统的电池进行驱动已经难以满足能源需求以及器件小型化的需求。摩擦纳米发电机作为一种新型绿色能源在可穿戴电子器件、物联网、环境、医疗等领域有着广泛的应用前景。

摩擦纳米发电机的原理来自麦克斯韦位移电流。垂直接触-分离式的摩擦纳米发电机是基于接触起电效应和静电感应的耦合作用。构筑材料表面粗糙微结构以及材料表面化学改性常常被用来提高摩擦纳米发电机的输出性能。但是这常常需要特殊的昂贵的设备以及复杂的工艺，限制了其大规模生产。为了将摩擦电纳米发电机的性能提升到实用水平，迫切需要一种低成本、高效率和重复性好的方法。

表面电荷密度作为反映摩擦纳米发电机性能的重要指标，这与摩擦材料的相对介电常数密切相关。因此可以通过有机材料与无机颗粒复合的策略来提升介电性能进而提升摩擦纳米发电机的输出性能。聚二甲基硅氧烷(PDMS)因其较强的柔韧性，易于成膜，适合大规模生产等特性使其作为基底材料在能量转换方面具有潜在优势。但是其介电性能以及摩擦转化输出性能都略有不足，限制了其作为供能器件应用。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，克服现有技术中的不足，提供一种二氧化钛/碳纳米花复合PDMS的纳米摩擦发电机的制备方法。

为解决技术问题，本发明的解决方案是：

提供一种二氧化钛/碳纳米花复合PDMS薄膜的制备方法，包括以下步骤：

(1)按质量比1∶1将环己烷加入到聚二甲基硅氧烷中，在室温下混合、搅拌至澄清；然后将二氧化钛/碳纳米花填充材料分散在所得溶液中，得到均匀的悬浊液；控制填充材料的添加量，使其占聚二甲基硅氧烷质量的1～9％。

(2)按固化剂和聚二甲基硅氧烷质量比1∶10，将固化剂加入上述悬浊液中，搅拌3～6h；将悬浊液以旋涂方式涂覆在带有铝电极的亚克力板上，在90～120℃烘箱中干燥6～10h成型，得到薄膜状的二氧化钛/碳-PDMS复合材料。

本发明中，步骤(1)中所述的分散为：超声0.5～2h后，在室温下搅拌6～12h；然后再重复超声和搅拌操作一次。

本发明中，步骤(1)中所述亚克力板的面积为20mm×20mm。

本发明中，所述二氧化钛/碳纳米花填充材料的制备方法是：将2ml硫酸氧钛滴加入23ml丙三醇和41ml乙醇溶液中，在室温下搅拌1小时得到澄清溶液；将其置于100ml反应釜中，在110℃下反应48h，反应结束后通过离心得到白色粉末；用水和乙醇对其进行清洗，然后放置在60℃烘箱中烘干，得到钛甘油盐前驱体；先转置于马弗炉中，在330℃下煅烧1h；最后转置于管式炉中，在氩气保护下575℃下煅烧2h，得到二氧化钛/碳纳米花填充材料。

本发明中，在马弗炉中煅烧时，控制升温速度为1℃/min；在管式炉中煅烧时，控制升温速度为2℃/min。