压电能量采集器的制作方法

本发明涉及能量收集领域，具体涉及一种压电能量采集器。

背景技术：

能源问题是当今世界最为关注的热点话题。各国研究员都在一直努力的寻找和开发新的能源。在最近几年，随着无线传感网络的高速发展，无线传感网络得到了广泛的应用。尤其是传感结点尺寸的减少、重量轻，消耗功率大大减少，所以传感结点在各个领域应用得到了广泛的利用，如用于工业、农业、通信、国防、航空航天、医学领域。低功耗、小尺寸、低成本的传感结点，能够通过无线通信方式组成分布式、自组织的无线传感网络。大多数的无线传感网络都是通过电池供给能量，但无线传感体积微小，自身携带电池能量有限，不能够满足长期供电的需求。如有些传感器被安装在野外，或者用于野生动物的跟踪与定位装置，当电池用完电后，更换电池特别麻烦，也增加一定的成本问题，尤其对于那些深山野外的地方，更换电池更加困难，并且当电池用完以后丢掉具有污染环境问题。根据众多问题，研究者寻求新的能源，为那些传感网络结点提供永不枯竭的能量，所以自供能技术得到广泛的应用。自供能即能量采集，是将环境中其他形式的能量转化成电能，为电子设备提供能量，尽管环境中的能量非常微弱，但由于微功耗产品所消耗的能量降到微瓦到毫瓦数量级别，这使得采集环境中的能量为电子设备供电成为了可能。环境中存在许多能量，如太阳能、振动能、热能、人体能，但太阳能、热能受环境气候的影响，不能保证全天的存在，所以振动能得到很大的发展，由于不受地方限制，振动无处不在。目前，电磁式、静电式、压电式是三种主要的振动式能量采集方法，与电磁式与静电式相比，基于压电效应的能量采集装置结构简单，并且可由微机电技术实现，从而得到微型化的发电装置。压电装置以压电材料为核心元件，通过压电效应将外界中的振动能转化成电能，并加以利用。压电材料具有能量密度大、无污染、结构简单、转化效率高、机电耦合系数高、成本低、无电磁干扰的发电材料。

技术实现要素：

本发明的目的是针对上述问题提供一种性能优越的压电能量采集器。

本发明解决上述技术问题的技术方案如下：

压电能量采集器，包括间隔交错堆叠的石墨烯膜和柔性电活性聚合物膜，从最上层和最下层石墨烯膜上分别引出导线，即得到压电能量采集器，所述石墨烯膜上开设有矩形通孔和圆弧形通孔，所述矩形通孔的长宽比为4-6：1-2，所述矩形通孔包括竖直通孔和水平通孔，所述竖直通孔包括多列，每列竖直通孔左右两侧均设置有水平通孔，所述水平通孔设置有多排，且每排水平通孔均包括多组，每组水平通孔均位于竖直通孔两侧，相邻的两个水平通孔的上方和下方均设置有圆弧形通孔，位于同一个水平通孔上下两侧的圆弧形通孔的圆心重合。

进一步的，所述石墨烯膜的制备方法包括以下步骤：

步骤1：将氧化石墨烯用超纯水分散后均匀涂覆到pet膜上，干燥后形成氧化石墨烯膜；

步骤2：将步骤所得氧化石墨烯膜，在氩气保护下，在600-1000℃温度下进行处理小时，然后放至2000-3000℃高温条件下进行还原处理，得到处理后的氧化石墨烯膜；

步骤3：将上一步得到的处理后的氧化石墨烯膜延压成30-80μm的薄膜，获得高导电氧化石墨烯膜。

进一步的，所述柔性电活性聚合物膜2的厚度为50-100μm。

进一步的，所述石墨烯膜1的层数不少于三层，柔性电活性聚合物膜的层数不少于两层。

进一步的，所述柔性电活性聚合物膜，为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯-全氟丙基乙烯基醚、聚四氟乙烯-六氟丙烯、及其以聚四氟乙烯为基的偏氟、四氟乙烯和六氟丙烯三元共聚物中的任意一种或多种复合材料。

本发明的有益效果为：本发明采用石墨烯膜和压电材料制备得到压电能量采集器，本发明的压电能量采集器中的石墨烯膜具有柔性、导电性好的特点，通过设计独特的开孔排列形式，可以显著提高压电能量采集器的电输出性能。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明的石墨烯膜结构示意图。

附图中各标号代表的巨匠列表如下：

1、石墨烯膜；2、柔性电活性聚合物膜；11、竖直通孔；12、水平通孔；13、圆弧形通孔

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

如图1-2所示，压电能量采集器，包括间隔交错堆叠的石墨烯膜1和柔性电活性聚合物膜2，从最上层和最下层石墨烯膜上分别引出导线，即得到压电能量采集器，所述石墨烯膜1上开设有矩形通孔和圆弧形通孔13，所述矩形通孔的长宽比为4-6：1-2，所述矩形通孔包括竖直通孔11和水平通孔12，所述竖直通孔11包括多列，每列竖直通孔11左右两侧均设置有水平通孔12，所述水平通孔12设置有多排，且每排水平通孔12均包括多组，每组水平通孔12均位于竖直通孔11两侧，相邻的两个水平通孔12的上方和下方均设置有圆弧形通孔13，位于同一个水平通孔12上下两侧的圆弧形通孔13的圆心重合。

作为一种实施方式，所述石墨烯膜1的制备方法包括以下步骤：

步骤1：将氧化石墨烯用超纯水分散后均匀涂覆到pet膜上，干燥后形成氧化石墨烯膜1；

步骤2：将步骤1所得氧化石墨烯膜1，在氩气保护下，在600-1000℃温度下进行处理1小时，然后放至2000-3000℃高温条件下进行还原处理，得到处理后的氧化石墨烯膜1；

步骤3：将上一步得到的处理后的氧化石墨烯膜1延压成30-80μm的薄膜，获得高导电氧化石墨烯膜1。

作为一种实施方式，所述柔性电活性聚合物膜2的厚度为50-100μm。

作为一种实施方式，所述石墨烯膜1的层数不少于三层，柔性电活性聚合物膜2的层数不少于两层。

作为一种实施方式，所述柔性电活性聚合物膜，为聚偏氟乙烯、聚四氟乙烯、聚四氟乙烯-全氟丙基乙烯基醚、聚四氟乙烯-六氟丙烯、及其以聚四氟乙烯为基的偏氟、四氟乙烯和六氟丙烯三元共聚物中的任意一种或多种复合材料。

实施例1、基于宏观石墨烯膜负泊松比结构的压电能量采集器，所述压电能量采集器可以采用以下方法制作得到：

步骤1：准备两片经过充分极化处理的聚四氟乙烯膜，三片石墨烯膜，厚度均为8μm，尺寸均为30mm×50mm；按照图2的形状在每片石墨烯膜上进行打孔；

步骤2：在一片石墨烯膜的上表面均匀涂覆一薄层导电银胶，将一片聚四氟乙烯膜放置在石墨烯膜上，在聚四氟乙烯膜的上表面均匀涂覆一薄层导电银胶，将第二片石墨烯膜放置在聚四氟乙烯膜上，然后在石墨烯膜上表面涂覆一层导电银胶，在第二片石墨烯膜上表面再涂覆一层导电银胶，又放置第二片聚四氟乙烯膜，在第二片聚四氟乙烯膜的上表面均匀涂覆一薄层导电银胶，将第三片石墨烯膜放置在聚四氟乙烯膜上，室温下静置使导电银胶固化；

步骤3：从最上层和最下层石墨烯膜上引出导线，即得到压电能量采集器。

实施例2、基于宏观石墨烯膜负泊松比结构的压电能量采集器，所述压电能量采集器可以采用以下方法制作得到：

步骤1：准备两片经过充分极化处理的聚四氟乙烯膜，三片石墨烯膜，厚度均为8μm，尺寸均为30mm×50mm；相比实施例1中的打孔方式仅省略弧形孔，在每片石墨烯膜上进行打孔；

步骤2：将两片聚四氟乙烯膜和三片石墨烯膜交错堆叠，相邻聚四氟乙烯膜和石墨烯膜之间涂覆导电银胶，室温下静置使导电银胶固化；

步骤3：从最上层和最下层石墨烯膜上引出导线，即得到压电能量采集器。

如下表1-表3所示，为本发明实施例1、实施例2和常规压电陶瓷能量收集器在不同负载电阻下的开路电压有效值、短路电流有效值和输出功率的负载特性的测试结果，可以看出，本发明的压电能量采集器相比常规压电能量采集器具有更大的短路电流、开路电压和输出功率，特别是在开设了弧形通孔之后，输出功率、开路电压和短路电流均得到了明显提升。

表1压电能量采集器电流有效值与外接负载之间的关系

表2压电能量采集器输出功率与外接负载之间的关系

表3压电能量采集器电压有效值与外接负载之间的关系

以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。