一种静态静电电压源装置及其制备方法
阅读说明：本技术 一种静态静电电压源装置及其制备方法 (Static voltage source device and preparation method thereof ) 是由 徐子盛 鄂世举 包昆伟 邸奎 陈浩杰 于 2021-07-08 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种静态静电电压源装置及其制备方法,属于能量收集和自驱动传感器领域。包括静电电压源、外接电容器和整流桥。静电电压源由驻极体与其两侧的电极组成,利用驻极体和静电感应原理,将两个电极分别放置于距离带电驻极体层上下的不同距离处,两个电极感应出不同量的电荷从而具有不同的电势,两电极之间具有一定的电势差。将驻极体两侧的电极接入整流桥的输入端,将外接电容器接入整流桥的输出端,即可通过静电电压源为外接电容器充电,无需额外做功。本发明具有结构简单和方便智能的特点,可用于自驱动传感领域和能量转换领域。(The invention discloses a static voltage source device and a preparation method thereof, and belongs to the field of energy collection and self-driven sensors. Comprises an electrostatic voltage source, an external capacitor and a rectifier bridge. The static voltage source is composed of an electret and electrodes on two sides of the electret, the two electrodes are respectively placed at different distances from the upper part and the lower part of a charged electret layer by utilizing the principles of the electret and static induction, the two electrodes induce different amounts of charges so as to have different electric potentials, and a certain electric potential difference is formed between the two electrodes. The electrodes on two sides of the electret are connected into the input end of the rectifier bridge, the external capacitor is connected into the output end of the rectifier bridge, the external capacitor can be charged through the electrostatic voltage source, and extra work is not needed. The invention has the characteristics of simple structure, convenience and intelligence, and can be used in the fields of self-driven sensing and energy conversion.)
技术领域
本发明属于能源领域，更具体地，涉及一种静态静电电压源装置及其制备方法。
背景技术
随着海量分布式传感器的应用，尤其是在传感器的能量供给上的需求日益增加，稳定的能量供给应用技术已经成为能量存储领域的重点关注研究内容之一。其中，开发高能量密度电池和电容器来提高其工作时间，是目前的研究热点。但是，由于储存机制的限制，导致电池和电容器无法长期稳定储存电荷。同时，在潮湿、湿润的环境中，需要对电化学电池进行封装处理，保护电池以保证其能稳定的工作运行。因此，寻找一种能够稳定的能量供给装置是至关重要的。
发明内容
针对现有技术中的以上缺陷及改进需求，本发明提供了一种静态静电电压源装置及其制备方法，其目的在于实现低成本构造能够适宜复杂环境的半永久电压源。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
本发明的其中一个目的在于提供一种静态静电电压源装置，包括静电电压源、外接电容器和整流桥；所述的静电电压源由驻极体薄膜与其两侧的上电极、下电极组成，所述的上电极和下电极带有不同电荷量的同种类型的电荷，驻极体薄膜的带电层带有与上电极、下电极相反的电荷，所述的上电极和下电极为金属电极，上电极和下电极与驻极体薄膜带电层的距离不同；
所述的上电极和下电极分别接入整流桥的输入侧，外接电容器的两侧分别接入整流桥的输出侧。
优选的，所述的上电极、下电极的材料为铜、金、铝、银及其纳米线。
优选的，所述的上电极通过在驻极体薄膜上表面镀金属层制备得到。
优选的，所述的驻极体薄膜与上电极之间、和/或驻极体薄膜与下电极之间设有支撑结构。
优选的，驻极体薄膜与下电极之间设有介电材料。
优选的，所述的外接电容器为弹性可拉伸电容，是在介电弹性体材料两侧涂敷导电油脂构成的。
优选的，所述的整流桥由四个低导通电压二极管搭建而成。
本发明的另一个目的在于提供一种上述的静态静电电压源装置的制备方法，包括以下步骤：
1)制备静电电压源：利用磁控溅射仪在驻极体薄膜的一面镀金电极，作为上电极；通过10kV的负电晕极化，给驻极体薄膜无电极一面充电，充电时间为1-10分钟，使其表面带负电，表面电位高于50V即可；将驻极体薄膜带有负电荷的一面和下电极贴合；带有负电荷的驻极体薄膜分别在上电极和下电极感应出不同量的正电荷，上电极和下电极之间形成电势差；
2)将静电电压源连接整流桥，使上电极和下电极分别接入整流桥的输入侧，外接电容器的两侧分别接入整流桥的输出侧，通过整流桥将上电极和下电极同号电荷之间的电势差转变为正负电荷电势差，在静电电压的作用下，为外接电容器(3)进行充电，所述的外接电容器(3)两端的电压满足以下公式：
其中，V表示外接电容器两端的电压，d1表示驻极体薄膜的厚度，d2表示下电极与驻极体膜的距离、C和CE分别表示静电电压源的电容和外接电容器的电容、ε0是真空介电常数、S表示驻极体薄膜的面积、σ为表面电荷密度。
与现有技术相比，本发明的优势在于：
(1)与化学电压源相比，静态静电电压源采用可半永久带电的驻极体材料，因而其稳定性更高；
(2)与驻极体发电机、摩擦纳米放电机、压电发电机等静电发电机相比，静态静电电压源在经过整流桥为外界电容器件充电过程中直到电压达到平衡，此过程无需额外施加外力对其进行按压等。进而，静态静电电压源在结构上可以更加多样化，适用范围更广。
附图说明
图1是本发明提出的静态静电电压源装置的示意图；
图2是本实施例的100nF电容充电电压-时间示意图；
图3是本实施例的100nF电容充电后，电容电压随时间变化示意图；
图4是本实施例中的静态静电电压源装置结构a的示意图，其中上电极与驻极体薄膜紧贴，下电极与驻极体薄膜之间留有一定距离；
图5是本实施例中的静态静电电压源装置结构b的示意图，其中驻极体薄膜和下电极之间填充其它介电材料；
图6是本实施例中的静态静电电压源装置结构c的示意图，其中在驻极体薄膜与上电极之间、驻极体薄膜与下电极之间分别增加支撑结构；
图7是本实施例中的静态静电电压源装置结构d的示意图，其中仅驻极体薄膜与上电极之间增加支撑结构。
图8是本实施例中的静态静电电压源的外接电容为弹性体电容的装置示意图；
图9是本实施例中弹性体电容进行拉伸过程，其电压发生变化示意图。
图中：1-静电电压源，2-整流桥，3-外接电容器，4-驻极体薄膜，5-下电极，6-上电极，7-介电材料，8-介电弹性体，9-导电油脂。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
实施例1
本实施例提供的静态静电电压源装置包括：由带电驻极体和上下电极构成的静电电压源1、整流桥2和外接电容器3，如图1所示。首先，利用磁控溅射仪在驻极体薄膜4聚四氟乙烯(PTFE)的一面镀金电极，作为上电极6，再通过10kV的负电晕极化，给面积为9cm2、厚度为50μm的驻极体薄膜聚四氟乙烯(PTFE)无电极一面充电，使其表面带负电荷。然后，将带有负电荷一面和带有铜电极的基板面贴合，所述的铜电极作为下电极5，就构成了本公开发明的静电电压源1。本实施例中，所述的上电极6和下电极5与驻极体薄膜带电层的距离不同。
由静电感应原理可知，由于驻极体薄膜材料带负电，且两侧电极分别放置于距离带电驻极体层上下的不同距离处，在上下电极将感应出不同量的正电荷从而具有不同的电势，进而在两电极之间形成电势差。通过将驻极体两侧的电极连接整流桥2的输入端，可以将此种同号电荷之间的电势差转变正负电荷电势差，再将整流桥2的输出端与电容大小为100nF的外接电容器3连接。在静电电压的作用下，可通过静电电压源1为外接电容器3进行充电，充电过程如图2中的100nF电容充电电压-时间示意图所示。本实施例还提供了如图3中所示的电容电压随时间变化示意图，100nF电容充电后，该静电电压源可以维持让其长期稳定的带电。在这里无需对静电电压源额外做工，接入电容静止即可。
所述的外接电容器3两端的电压满足以下公式：
其中，V表示外接电容器3两端的电压，d1表示驻极体薄膜的厚度，d2表示下电极与驻极体膜的距离(如图4所示)、C和CE表示静电电压源的电容和外接电容器的电容、ε0是真空介电常数、S表示驻极体薄膜的面积、σ为表面电荷密度。
本实施例中，d1、d2的范围为不受限制，如图4所示。
所述的驻极体材料包括但不限于聚偏氟乙烯(PVDF)、全氟乙烯丙烯共聚物(FEP)、聚酰亚胺(PI)、聚氯三氟乙烯(PCTFE)、聚丙烯(PP)、聚乙烯(PE)、环烯共聚物(COC)、可溶性聚四氟乙烯(PFA)、聚氟乙烯(E-TFE)、派瑞林(Parylene)等驻极体材料。
所述的电极材料包括但不限于铜、金、铝、银及其纳米线和其它电极材料。
在本发明的一项具体实施中，驻极体薄膜4和下电极5之间可以填充其它介电材料7，如图5所示。所述的介电材料包括丙烯酸VHB 4905或聚二甲基硅氧烷。
静态电压源1的上下电极与驻极体的距离不限于本实施例，也可以参用支撑结构，构造静态电压源，如图6-7，其中图6为在驻极体薄膜与上电极之间、驻极体薄膜与下电极之间分别增加支撑结构；图7为仅在驻极体薄膜与上电极之间增加支撑结构。所述的支撑结构包括绝缘无机物和绝缘聚合物。
在本发明的一项具体实施中，可以通过不同地极化手段，如正、负高压电晕极化等方式充电。以电晕极化过程为例，将驻极体薄膜置于电晕针下方3-10cm处，在电晕针施加10-20kV的高压，电晕针发生尖端放电，电荷在电场的驱动下到驻极体材料表面，最终被驻极体所俘获，驻极体薄膜表面电位的范围为：0-±3kV。驻极体材料的充电方法不限于电晕充电、摩擦充电、接触极化、液体极化、高温极化等方式。
实施例2
本实施例提供的静态静电电压源装置包括：由带电驻极体和上下电极构成的静电压源1、整流桥2和外接电容器3，如图8所示。首先，利用磁控溅射仪在驻极体薄膜4聚四氟乙烯(PTFE)的一面镀金电极作为上电极6，再通过10kV的负电晕极化，给面积为9cm2、厚度为50μm的驻极体薄膜聚四氟乙烯(PTFE)无电极一面充电，使其表面带负电荷。然后，将带有负电荷一面和带有铜电极的基板面贴合，所述的铜电极作为下电极，就构成了本公开发明的静电电压源1。本实施例中，所述的上电极6和下电极5与驻极体薄膜带电层的距离不同。
本实施例中，外接电容器3是由介电弹性体8及其两侧的电极构成，介电弹性体材料可以是硅橡胶类如聚丙烯酸酯PDMS、嵌段共聚物类如SEBS、热塑性生物塑料如Ecoflex等，其两侧的电极材料可以是导电硅脂、银纳米线、水凝胶、离子导体等，优选聚丙烯酸酯(VHB4905)和导电油脂9(日本信越)组合，制备方法为在介电弹性体聚丙烯酸酯的上下两侧涂敷柔性电极材料导电油脂，由两者组成的外接电容器为弹性可拉伸电容，通过拉伸等方式可以改变其电容。在本实施例中，弹性可拉伸电容的面积为50cm2、厚度为50微米、电容值为430pF。接入静态静电电压源后，弹性可拉伸电容两端的电压可达～14V。通过拉伸的手段，电压降低到7V，反复拉伸，电压随着变化，因此本实施例的静态静电电压源系统可用于自驱动传感领域。
其原理如下：参照公式其中C、ε、S和d分别是弹性可拉伸电容的电容值、介电常数、面积和介电弹性体厚度，可知，在形变过程中，弹性可拉伸电容值会发生变化。另由公式Q＝CU，其中Q和U分别是弹性可拉伸电容所带电荷量和电压，可知，电荷量一定的情况下，弹性可拉伸电容的电容变化将导致弹性可拉伸电容的电压发生变化。综上，沿着弹性体电容电极方向拉伸过程中，弹性可拉伸电容的电容值变大，其电压变小，反之，释放过程中，电容值变小，电压变大。
如图所述的外接电容器3两端的电压的变化满足以下公式
其中，V表示外接电容器两端的电压、C和Q表示弹性电容的电容值和电容两端的电荷量。
本实施例中，外接电容器的形式不限于商用电容的形式，可以用弹性电容、压变电容等可变电容替代，用以自驱动传感领域。
本实施例中，如图9所示，验证了此种静电电压源用于自驱动传感器的可行性。采用具有高柔性的介电弹性体电容作为静态静电电压源的外接电容，通过对外接弹性电容进行周期性的拉伸，使其电容发生变化，进而其电压发生变化。电压的变化反应了静态静电电压源与外接弹性电容所构成的系统能够对应变做出响应，进而其可作为自驱动传感器用于可穿戴柔性传感领域。
以上列举的仅是本发明的具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
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