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一種高性能泡沫基的多功能電子器件

文檔序號:37128331發布日期:2024-02-22 21:52閱讀:2443來源:國知局
一種高性能泡沫基的多功能電子器件

本發明涉及一種高性能泡沫基的能量收集和可穿戴運動傳感器件,屬于能源收集領域。


背景技術:

1、隨著社會生活的快速發展,有限的化石燃料不斷消耗,能源危機日趨嚴重,已經成為人們關注的熱點問題。作為創新型能量轉換裝置的摩擦納米發電機(teng)可以將人體運動和物體振動等機械能有效地轉化為電能,有望逐漸替代化石能源和調節能源結構。同時,隨著人們生活水平的不斷提高,大家越來越關心自身的健康狀況,能夠持續監測人體健康狀況的可穿戴傳感器越來越受歡迎。


技術實現思路

1、本發明解決的技術問題是:提出一種高性能泡沫基的多功能電子器件,通過在tpu的介電摩擦電層中引入mwcnts的導電網絡,制備了一種由多壁碳納米管和熱塑性聚氨酯組成的具有三維多孔結構的新型導電泡沫材料,通過組裝便可得到高性能泡沫基的多功能電子器件。該多功能電子器件可作為發電器件或傳感器件。作為單電極teng用于收集生活中的機械能并將其轉換為電能,該發電器件可獲得voc=400v的開路電壓和isc=16μa的短路電流;將這種導電泡沫材料應用于應變傳感器時可提供~150%的工作范圍和10的靈敏度。相較于薄膜類材料,該導電泡沫材料還具有透氣和形狀自適應好等優點,顯示其可廣泛應用于可穿戴電子器件的制備。該傳感器不僅可以檢測大幅度的人體運動(腕關節、肘關節和手指的運動),還能夠捕獲人類細微的生理信號(聲帶振動和脈搏跳動)。同時該器件具有出色的循環穩定性和機械穩定性。

2、為了解決本發明的技術問題,提出的技術方案為:一種高性能泡沫基的多功能電子器件,其特征在于:通過在tpu的介電摩擦電層中引入mwcnts的導電網絡,制備由多壁碳納米管mwcnts和熱塑性聚氨酯tpu組成的具有三維多孔結構的導電泡沫材料,所述導電泡沫材料用于制備高性能泡沫基的多功能電子器件,所述多功能電子器件作為發電器件或傳感器件使用;tpu/mwcnts導電泡沫材料中mwcnts的摻雜比為20wt%,即tpu/mwcnts導電泡沫材料中mwcnt/tpu的質量比為20wt%。

3、優選的,所述的三維多孔結構的導電泡沫材料的制備方法如下:

4、(1)稱取tpu顆粒置于燒杯中,緩慢滴加dmf溶劑,將用玻璃培養皿封口的燒杯置于80℃下攪拌反應3.5h,得到質量分數20%的tpu和dmf混合溶液;

5、(2)tpu、dmf、mwcnts和nacl混合漿料的制備

6、稱取步驟(1)中tpu和dmf混合溶液置于燒杯中,按20wt%mwcnt/tpu的質量比加入mwcnts到tpu和dmf混合溶液中,在80℃、700rpm下攪拌均勻混合,向燒杯加入nacl,用作模板,得到tpu、dmf、mwcnts和nacl的混合漿料;

7、(3)tpu/mwcnts導電泡沫材料的制備

8、將tpu、dmf、mwcnts和nacl混合漿料轉移至載玻片上,將其置于烘箱中用以蒸發溶劑dmf,然后在水的沖洗和浸泡下將nacl模板溶解,干燥后得到由tpu和mwcnts組成的固體型復合三維多孔結構的導電泡沫材料,tpu/mwcnts復合膜中mwcnts的摻雜比為20wt%,即tpu/mwcnts?tpu/mwcnts導電泡沫材料中mwcnts的摻雜比為20wt%,即tpu/mwcnts導電泡沫材料中mwcnt/tpu的質量比為20wt%。

9、優選的,所述的三維多孔結構的導電泡沫材料的制備方法如下:

10、(1)稱取tpu顆粒2g置于燒杯250ml中,緩慢滴加dmf溶劑8g,將用玻璃培養皿封口的燒杯置于80℃下攪拌反應3.5h,得到20%質量分數的tpu和dmf混合溶液;

11、(2)tpu、dmf、mwcnts和nacl混合漿料的制備

12、稱取步驟(1)中tpu和dmf混合溶液10g置于燒杯250ml中,按20wt%mwcnt/tpu的質量比加入mwcnts到tpu和dmf混合溶液中,在80℃、700rpm下攪拌6h均勻混合,6小時后,向燒杯加入nacl?25g,用作模板,得到tpu、dmf、mwcnts和nacl的混合漿料;

13、(3)tpu/mwcnts導電泡沫材料的制備

14、將不同摻雜比例的tpu、dmf、mwcnts和nacl混合漿料轉移至載玻片(25.4×76.2mm2)上,將其置于80℃的烘箱中3h用以蒸發溶劑dmf,然后在水的沖洗和浸泡下將nacl模板溶解,干燥后得到由tpu和mwcnts組成的固體型復合導電泡沫材料;

15、將tpu/mwcnts導電泡沫材料剪成所需的尺寸和形狀。

16、優選的,所述多功能電子器件可作為發電器件,將三維多孔結構的導電泡沫材料tpu/mwcnts粘貼在銅箔上作為摩擦電層,尺寸為30×30mm2,最后將聚四氟乙烯ptfe被用作的摩擦電材料與tpu/mwcnts薄膜組成摩擦電對,形成單電極模式下工作的摩擦納米發電機器件。

17、優選的,將銅雙面膠帶粘在三維多孔結構的導電泡沫材料尺寸為5×30mm2的兩端,并連接到銅箔上作為電極,同時保持兩個電極之間的距離為30mm,作為傳感器件使用。

18、優選的,作為單電極teng用于收集生活中的機械能并將其轉換為電能,發電器件可獲得voc=400v的開路電壓和isc=16μa的短路電流;在50mω負載時功率密度可達到pd=96.8μw?cm-2;可作為電源直接點亮發光二極管,而且可通過連接整流器后間接為計算器供電;

19、將所述導電泡沫材料應用于應變傳感器時可提供~150%的工作范圍和gf=10的靈敏度;

20、相較于薄膜類材料,該導電泡沫材料還具有透氣和形狀自適應好,顯示其可廣泛應用于可穿戴電子器件的制備,所述傳感器不僅可以檢測大幅度的人體運動(腕關節、肘關節和手指的運動),還能夠捕獲人類細微的生理信號(聲帶振動和脈搏跳動)。

21、優選的,所述的多功能電子器件作為一種可穿戴的多功能電子器件可在個人健康管理、自供電傳感、人機交互方面應用。

22、有益效果

23、本發明制備的高性能泡沫基的多功能電子器件不僅可以作為電源驅動便攜式電子器件,還可用作傳感器監測人體運動狀態。

24、mwcnt/tpu的質量比為20wt%摻雜比的導電泡沫材料制備的單電極摩擦納米發電機性能最優,同時摻雜量為20wt%的tpu/mwcnts導電泡沫材料制備泡沫基的應變傳感器性能最佳,20wt%導電泡沫材料可以對小應變產生較為明顯的響應。

25、作為單電極teng用于收集生活中的機械能并將其轉換為電能,發電器件可獲得voc=400v的開路電壓和isc=16μa的短路電流;在50mω負載時功率密度可達到pd=96.8μwcm-2;可作為電源直接點亮發光二極管,而且可通過連接整流器后間接為計算器供電;

26、本發明的器件的voc和isc在一個月的穩定性測試中幾乎沒有發生變化,輸出性能仍舊和一個月前的優良電性能保持一致,該器件具有出色的循環穩定性和機械穩定性。

27、將所述導電泡沫材料應用于應變傳感器時可提供~150%的工作范圍和gf=10的靈敏度;

28、相較于薄膜類材料,該導電泡沫材料還具有透氣和形狀自適應好,顯示其可廣泛應用于可穿戴電子器件的制備,所述傳感器不僅可以檢測大幅度的人體運動(腕關節、肘關節和手指的運動),還能夠捕獲人類細微的生理信號(聲帶振動和脈搏跳動)。

29、該多功能電子器件的制備低成本、易制備和高舒適,在可穿戴柔性電子器件的開發方面具有極好的發展潛力。因此,作為一種可穿戴的多功能電子器件,這種新型泡沫基的多功能電子器件將會在個人健康管理、自供電傳感、人機交互等方面得到廣泛應用。

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