基于表面直接氟化改性的氟化薄膜制备方法、氟化薄膜及摩擦纳米发电机

本发明属于微纳能源领域，涉及一种基于表面直接氟化改性的氟化薄膜制备方法、氟化薄膜及摩擦纳米发电机。

背景技术：

1、微纳米材料与纳米技术的飞速发展形成了以微纳技术为基础的新一代清洁能源技术与系统。其中，以摩擦纳米发电机作为一种新型微纳能源收集技术的机-电能量转换装置具有结构简单、质量轻巧、成本低廉、选材多样、转化效率高等特点，通过合理的设计可以将环境中各种形式的能量转换为所需电能。利用该项技术有潜力实现传感器的微型化、自驱动以及自感知，成为未来分布式传感器研制的重要发展趋势。

2、摩擦电荷源于材料接触面之间的表面极化电荷，摩擦层材料在接触分离过程中所产生电荷量多少起着至关重要的作用，其表面电荷密度高低决定了器件输出水平，而表面电荷密度又与摩擦层内外性质及摩擦界面状态密切相关。选择电负性差异较大的摩擦材料可以增加摩擦电荷的形成，通常情况下选用金属材料作为电正性摩擦层，而呈现电负性材料的属性决定着摩擦电荷的生成，其中，聚四氟乙烯已被证实为电负性最强的材料，但以该材料作为摩擦纳米发电机的电负性薄膜其表面电荷密度仍不高，特别是在自然环境当中受环境湿度的干扰明显。此外，利用多种聚合物摩擦层材料并对其进行物理、化学改性所致的起电特性变化以及摩擦层间的有效接触面积已成为优化摩擦纳米发电机的潜在可行方案，通过诸如表面离子注入、等离子体刻蚀甚至纳米掺杂等手段提高了摩擦层表面的电荷密度水平，进而改善摩擦纳米发电机的输出性能。但是，上述制备工艺的设备结构复杂、改性材料表面电荷的保持稳定性差等不足，阻碍了未来大规模分布式传感器的研制与应用进程。

3、因此，有必要发明一种便捷、实用的电负性聚合物材料表面改性制备方法，并将改性后的材料应用于摩擦纳米发电机产生高表面摩擦电荷以提升能量转换装置的输出性能，同时改善表面电荷的抗干扰能力，解决未来广泛分布式传感器的可靠高效供能问题具有重要的实际工程应用意义。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种基于表面直接氟化改性的氟化薄膜制备方法，通过表面修饰提升作为电负性摩擦层的聚合物薄膜的摩擦电荷密度，改善摩擦纳米发电机输出性能。

2、本发明的技术方案如下：基于表面直接氟化改性的氟化薄膜制备方法，包括：

3、制备电负性聚合物薄膜以及对所述电负性聚合物薄膜直接氟化；

4、其中，所述的电负性聚合物薄膜的材质为聚二甲基硅氧烷；

5、制备电负性聚合物薄膜的过程包括：

6、步骤1-1聚二甲基硅氧烷液体掺入二氧化硅纳米颗粒并加入分散剂共同搅拌得到均匀混合液体；

7、步骤1-2混合液体中加入固化剂继续搅拌均匀得到制膜原液；

8、步骤1-3将制膜原液通过干燥成型为薄膜，即电负性聚合物薄膜；

9、所述的直接氟化的过程包括：

10、步骤2向放置有所述电负性聚合物薄膜的密闭反应釜中通入含有氟气的混合气体与氟化薄膜基材的表面发生氟化反应，同时令二氧化硅纳米颗粒膨胀，形成粗糙微纳结构的氟化层表面。

11、进一步，所述二氧化硅纳米颗粒粒径选用10-100nm，掺杂比例选用3-20wt％；

12、进一步，步骤1-2中，混合液体中加入固化剂继续搅拌均匀后，置于真空箱中排除液体内部气泡得到制膜原液；

13、进一步，步骤1-3包括，将制膜原液倒入模具中得到厚度均匀的薄膜，将该薄膜放置于真空干燥箱中干燥得到氟化薄膜基材；

14、进一步，所述的混合气体由氟气与氮气、氖气、氩气、氦气、氧气和二氧化碳气体中至少一种气体组成，氟气的体积分数占比设定为5-20％；

15、进一步，所述的电负性聚合物薄膜厚度选用5-500μm；

16、进一步，步骤2中，反应釜内压强设定为0.01-0.2mpa，反应釜内温度设定为20-80℃，反应时间设定为10-120min，反应混合气体流速设定为5-50sccm；

17、进一步，步骤2中，所述的反应釜采用循环油浴方式保持釜内温度，釜内带有搅拌装置用于内部气体循环；

18、进一步，所述的氟化层表面形成厚度为0.2-2μm。

19、本发明的另一目的是提供一种氟化薄膜，由前述方法制得。

20、本发明的又一目的是提供一种摩擦纳米发电机，该发电机为接触分离式摩擦纳米发电机，其摩擦电层中的电负性摩擦层包括前述的氟化薄膜。

21、进一步，所述摩擦纳米发电机还包括电极、基板和弹簧；

22、进一步，所述的电极为金属材料，包括分别构成摩擦纳米发电机的第一电极和第二电极；

23、可选地，所述的金属材料为金、银、铂、钯、铝、镍、铜、钛、锌、铬、铁、铅、锰、钼、钨，铝合金、镍合金、铜合金、钛合金、镁合金、铍合金、锌合金、锰合金、铅合金、锡合金、镉合金、铋合金、铟合金、镓合金、钨合金、钼合金、铌合金或钽合金。

24、进一步，所述第一电极同时作为电正性摩擦层，并与氟化薄膜构成一对摩擦电层；

25、进一步，所述第二电极贴附于氟化薄膜背部；

26、进一步，所述基板包括顶部基板和底部基板，分别支撑第一电极和第二电极；

27、可选地，所述弹簧首尾连接顶部基板和底部基板的中心，并在机械激励下带动基板完成摩擦电层间的接触分离。

28、本发明的有益效果在于：本发明为摩擦纳米发电机提供了一种简单便捷、效果明显、实用高效的聚合物薄膜表面改性制备方法，通过对参入了二氧化硅颗粒的聚二甲基硅氧烷薄膜采用直接氟化工艺，在提升该材料获得电子的能力的同时形成多重表面微纳结构，有效解决电负性聚合物薄膜表面电荷密度低，电荷稳定性差的不足的问题，将制备的氟化薄膜应用于接触分离式摩擦纳米发电机可实现对环境机械振动能量的高效收集，提升摩擦纳米发电机为未来大规模分布式传感器供能的可靠性与稳定性。

29、本发明的其他优点、目标和特征在某种程度上将在随后的说明书中进行阐述，并且在某种程度上，基于对下文的考察研究对本领域技术人员而言将是显而易见的，或者可以从本发明的实践中得到教导。本发明的目标和其他优点可以通过下面的说明书来实现和获得。

技术特征：

1.基于表面直接氟化改性的氟化薄膜制备方法，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述二氧化硅纳米颗粒粒径选用10-100nm，掺杂比例选用3-20wt％。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述的混合气体由氟气与氮气、氖气、氩气、氦气、氧气和二氧化碳气体中至少一种气体组成，氟气的体积分数占比设定为5-20％。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述电负性聚合物薄膜的厚度选用5-500μm。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，反应釜内压强设定为0.01-0.2mpa，反应釜内温度设定为20-80℃，反应时间设定为10-120min，反应混合气体流速设定为5-50sccm。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤2中，所述的反应釜采用循环油浴方式保持釜内温度，釜内带有搅拌装置用于内部气体循环。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述氟化层表面的形成厚度为0.2-2μm。

8.一种氟化薄膜，其特征在于，由权利要求1-7中任一所述的方法制得。

9.一种摩擦纳米发电机，该发电机为接触分离式摩擦纳米发电机，其特征在于，其摩擦电层中的电负性摩擦层包括前述的氟化薄膜。

10.根据权利要求9所述的摩擦纳米发电机，其特征在于，还包括电极、基板和弹簧：

技术总结本发明属于微纳能源领域，涉及一种基于表面直接氟化改性的氟化薄膜制备方法、氟化薄膜及摩擦纳米发电机。其中基于表面直接氟化改性的氟化薄膜制备方法，包括制备电负性聚合物薄膜以及对所述电负性聚合物薄膜直接氟化，过程包括：聚二甲基硅氧烷液体掺入二氧化硅纳米颗粒并加入分散剂共同搅拌得到均匀混合液体，固化通过干燥成型为薄膜；向放置有电负性聚合物薄膜的密闭反应釜中通入含有氟气的混合气体与氟化薄膜基材的表面发生氟化反应，形成粗糙微纳结构的氟化层表面。还提出了以制得的氟化薄膜作为电负性摩擦层的摩擦纳米发电机，通过表面修饰提升作为电负性摩擦层的聚合物薄膜的摩擦电荷密度，改善摩擦纳米发电机输出性能。技术研发人员：王季宇,吴寒,刘绪光,安振连,廖瑞金,杨丽君受保护的技术使用者：重庆大学技术研发日：技术公布日：2024/6/18