CN112537058A

CN112537058A - 基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法

Info

Publication number: CN112537058A
Application number: CN202011389402.7A
Authority: CN
Inventors: 牟笑静; 任自怡; 高玲肖; 陈鑫; 王发扬; 童大乔; 何小斌; 蓝建宇
Original assignee: Chongqing University
Current assignee: Chongqing University
Priority date: 2020-12-02
Filing date: 2020-12-02
Publication date: 2021-03-23
Anticipated expiration: 2040-12-02
Also published as: CN112537058B

Abstract

本发明涉及一种基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法，该方法首先以SiO2@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.02%～0.5%的比例称取SiO2@Ag复合纳米颗粒，将其倒入称量好的PDMS原液中，制备成PDMS混合溶液，对混合溶液进行搅拌、脱泡、分散、再脱泡处理；再向PDMS混合溶液中滴入固化剂后对其进行搅拌、脱泡处理；采用旋涂法将PDMS混合溶液旋涂在一片干净干燥的铜箔的上表面上，形成一层均匀的薄膜；最后将铜箔置于培养皿中，再把培养皿置于真空干燥箱中进行固化处理，即得到基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜；本发明可提高摩擦起电薄膜的介电常数，有效解决了摩擦起电薄膜中纳米颗粒的团聚问题。

Description

基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法

(一)、技术领域：

本发明涉及一种摩擦起电薄膜制备方法，特别涉及一种基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法。

(二)、背景技术：

摩擦纳米发电机(Triboelectric nanogenerator,TENG)基于摩擦起电效应和静电感应耦合，把微小的机械能转换为电能，其应用了新型的能量采集技术,在微能源和大规模的能源获取中具有广阔的应用前景。然而，目前摩擦纳米发电机的输出性能低下、鲁棒性以及环境适应性均较差，这些缺陷在其工程化应用进程中逐渐凸显，成为其进一步推广应用的瓶颈问题。摩擦纳米发电机的摩擦起电材料的固有特性对提高其输出性能至关重要，提高摩擦起电材料的表面电荷密度是实现其高输出性能的关键，而材料的介电性质在很大程度上影响摩擦材料的表面电荷密度，因此提高材料的介电性可以有效提高摩擦材料的表面摩擦电荷密度，而将高介电性的纳米粒子掺入介电薄膜中是提升介电薄膜介电性能的最简单有效的方法之一。

从高介电纳米颗粒提升TENG表面电荷密度的机理可知，增大介电材料的介电常数能够有效减小介电薄膜的有效厚度，从而可以有效增大TENG的转移电荷量和本征电容属性。从理论上看纳米颗粒的掺杂体积比越大，介电常数提升越明显，但是在实际应用中，过多的纳米颗粒掺杂一方面会对介电材料分子结构造成破坏从而改变介电材料的得失电子能力，另一方面过多的纳米颗粒掺杂尤其是金属纳米颗粒掺杂会造成渗流现象的发生，使得摩擦电荷大量泄漏，从而降低TENG的输出性能。

现有的纳米掺杂技术存在的一个主要难题,就是纳米颗粒的分散问题，团聚的纳米颗粒在薄膜内部会带来较多的缺陷，从而影响其性能的提升，这是由于纳米颗粒尺寸在纳米级别，具有较大的比表面积和极高的表面能，从而很容易在范德华力的作用下出现团聚，而大多摩擦材料又极易被化学污染，如果改用试剂对纳米颗粒进行分散后再掺入摩擦材料中，不仅引入了第二变量，给分析带来困难，而且作为溶剂的试剂材料可能会给纳米颗粒以及摩擦材料带来一定程度的污染，例如银纳米颗粒可能在分散过程中氧化，从而影响其性能。

掺杂材料主要分为导电纳米材料和绝缘体纳米材料两种，导电纳米材料存在金属纳米颗粒表面势能较大、易团聚、易渗流等问题，绝缘体纳米材料存在介电常数有限，提升效果有限的问题。

(三)、发明内容：

本发明要解决的技术问题是：提供一种基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法，该方法不仅可以在保证摩擦起电薄膜正常工作的前提下提高摩擦起电薄膜的介电常数，而且可有效解决摩擦起电薄膜中纳米颗粒的团聚问题。

本发明的技术方案：

一种基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法，制备步骤如下：

步骤1、取一片铜箔，铜箔可以作为摩擦纳米发电机的电极，先对铜箔进行预处理工作，使用工具(如棉签)蘸取酒精，用酒精清洁铜箔表面，将铜箔表面的灰尘和杂质擦去，然后用氮气将铜箔表面吹干；

步骤2、用电子天平称取PDMS原液，然后将电子天平归零，以SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.02％～0.5％的比例再称取SiO₂@Ag复合纳米颗粒，将称量好的SiO₂@Ag复合纳米颗粒倒入称量好的PDMS原液中，制备成掺有SiO₂@Ag复合纳米颗粒的PDMS混合溶液；

步骤3、采用搅拌器对步骤2制备的PDMS混合溶液进行搅拌，搅拌后进行脱泡处理，得到混合均匀的PDMS混合溶液；

步骤4、为了进一步分散SiO₂@Ag复合纳米颗粒，将步骤3得到的混合均匀的PDMS混合溶液置于超声波分散仪中进行超声分散处理，由于超声分散处理过程中会引入部分气泡，因此，超声分散处理后再将PDMS混合溶液进行脱泡处理，得到分散SiO₂@Ag复合纳米颗粒的PDMS混合溶液；

步骤5、向步骤4得到的分散SiO₂@Ag复合纳米颗粒的PDMS混合溶液中滴入固化剂，然后使用搅拌器对PDMS混合溶液进行搅拌，搅拌后进行脱泡处理，得到制备好的PDMS混合溶液；

步骤6、采用旋涂仪将步骤5中制备好的PDMS混合溶液旋涂在铜箔的上表面上，在铜箔的上表面上形成一层均匀的薄膜；

步骤7、将步骤6中得到的上表面上形成一层均匀的薄膜的铜箔放置于培养皿中，为了防止铜箔上表面上的薄膜在固化的过程中受到污染，把培养皿的盖子盖好，然后将培养皿放置于真空干燥箱中进行固化处理，固化处理后将铜箔从培养皿中取出，即得到附着在铜箔上的基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜。

搅拌器为行星搅拌器，行星搅拌器为THINKY公司生产的型号为THINKY MIXER AR-100的行星搅拌器，超声波分散仪为日本SMT公司生产的型号为UH-600超声波分散仪。

步骤2中，PDMS原液为美国道康宁公司生产的Sylgard 184硅橡胶。

步骤3中，搅拌器的转速为1500r/min～2500r/min，搅拌时间为4分钟～6分钟，脱泡处理的时间为1.5分钟～2.5分钟；

步骤4中，超声分散处理的时间为4分钟～6分钟，超声分散处理后再采用搅拌器将PDMS混合溶液进行脱泡处理，脱泡处理的时间为25秒～35秒；

步骤5中，搅拌器的转速为1500r/min～2500r/min，搅拌时间为4分钟～6分钟，脱泡处理的时间为1.5分钟～2.5分钟；

步骤6中，旋涂时，先将铜箔吸附于旋涂仪的托盘上，然后启动旋涂仪的真空泵进行旋涂操作；旋涂操作分为前﹑后两个阶段：慢速匀胶阶段和高速定型阶段；慢速匀胶阶段时，旋涂仪工作在250r/min～350r/min的转速下，旋涂时间为115秒～125秒；高速定型阶段时，旋涂仪工作在950r/min～1050r/min的转速下，旋涂时间为5秒～15秒；

步骤7中，固化处理的过程为：先将真空干燥箱的温度设置为75℃，然后预热半小时，当真空干燥箱的温度稳定后，将培养皿置于真空干燥箱内，将真空干燥箱内的压强抽到一个大气压左右，干燥两个小时后，将真空干燥箱的电源关闭，待真空干燥箱内温度降为室温后，将培养皿从真空干燥箱中取出。

铜箔的下表面上附着有一层硅油纸，硅油纸具有较好的防电荷泄漏作用，并可以保护其上的铜箔的平整度；用酒精清洁铜箔表面时，要防止铜箔与硅油纸之间进入液体。

进一步优选，步骤2中，SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.05％～0.4％。

进一步优选，步骤2中，SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.1％～0.3％。

进一步优选，步骤2中，SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.15％～0.2％。

步骤7中，培养皿为铝合金培养皿；采用铝合金培养皿的原因是其具有传热性能较好，底面平整，并具有在高温不下变形等优点。

由摩擦序列表可知，PDMS(聚二甲基硅氧烷)是一种摩擦电负性较强的材料，鉴于其具备透明度高、热稳定性能良好、加工工艺成熟等优点，选用其为负摩擦材料。

为了保证制备的摩擦起电薄膜与电极具有较高的集成度，采用旋涂工艺将PDMS混合溶液直接旋涂在铜箔电极上，从而制备出摩擦起电薄膜与铜箔电极一体的器件。

本发明的有益效果：

1、本发明将SiO₂@Ag复合纳米颗粒按照一定的质量分数掺杂在PDMS原液中形成PDMS混合溶液，然后对PDMS混合溶液搅拌﹑超声分散处理，再将其均匀涂在铜箔电极上，最后使其固化在铜箔电极上形成摩擦起电薄膜；由于本发明采用了SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂，Ag纳米颗粒附着于SiO₂绝缘微球表面，SiO₂微球将会在薄膜内部构成阻断层，从而起到阻止电荷泄漏的作用，有利于较多Ag纳米颗粒的掺杂和介电常数的提高；因此，本发明在保证摩擦起电薄膜正常工作的前提下可以提高摩擦起电薄膜的介电常数，从而有效提升TENG的表面电荷密度，增大TENG的转移电荷量，提升TENG的输出性能，使TENG的鲁棒性优异。

2、本发明的SiO₂@Ag复合纳米颗粒中，粒径为5-10nm的Ag纳米颗粒附着在粒径为200nm的SiO₂绝缘微球表面，SiO₂绝缘微球的粒径比较大，分散度较好，降低了掺杂过程中的分散难度，容易得到均匀分散的Ag纳米颗粒，解决了摩擦起电薄膜中纳米颗粒的团聚问题，而且还能够保证纳米颗粒原有的稳定性和活性。

3、本发明中的SiO₂@Ag复合纳米颗粒是一种复合微球结构，将成本较高的Ag纳米颗粒均匀地负载于SiO₂表面，可减小Ag的用量，降低了摩擦起电薄膜的制作成本。

4、本发明使用旋涂法制备SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜，使摩擦起电薄膜表面平整，掺杂均匀。

(四)、附图说明：

图1为SiO₂@Ag复合纳米颗粒结构模型示意图；

图2为传统的Ag纳米颗粒掺杂对TENG性能的提升模型示意图；

图3为采用SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂对TENG性能的提升模型示意图；

图4为含银量较高的SiO2@Ag复合纳米颗粒按照不同质量分数掺杂后的TENG的短路电流示意图；

图5为含银量较高的SiO2@Ag复合纳米颗粒按照不同质量分数掺杂后的TENG的开路电压示意图；

图6为含银量较低的SiO2@Ag复合纳米颗粒按照不同质量分数掺杂后的TENG的短路电流示意图；

图7为含银量较低的SiO2@Ag复合纳米颗粒按照不同质量分数掺杂后的TENG的开路电压示意图；

图8为含银量较高的SiO2@Ag复合纳米颗粒掺杂后TENG的转移电荷量示意图；

图9为未经掺杂的TENG一个周期的电流以及其对应的电荷转移量示意图；

图10为含银量较高的SiO2@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.3wt.％时的TENG一个周期的电流以及其对应的电荷转移量示意图；

图11为含银量较低的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂后TENG的转移电荷量示意图；

图12为含银量较低的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.1wt.％时的TENG一个周期的电流以及其对应的电荷转移量示意图；

图13为未经掺杂的TENG的输出功率示意图；

图14为含银量较高的SiO2@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.3wt.％时的TENG的输出功率示意图；

图15为含银量较低的SiO2@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.1wt.％时的TENG的输出功率示意图；

图16为不同TENG对相同电容的充电性能测试示意图。

图中，1为Ag纳米颗粒；2为介电薄膜；3为SiO₂微球；4为阻断层。

(五)、具体实施方式：

基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法的制备步骤如下：

步骤1、取一片铜箔，铜箔被裁剪为3.5cm×3.5cm的尺寸，铜箔可以作为摩擦纳米发电机的电极，先对铜箔进行预处理工作，使用棉签蘸取酒精，用酒精清洁铜箔表面，将铜箔表面的灰尘和杂质擦去，然后用氮气将铜箔表面吹干；

步骤2、用电子天平称取3g的PDMS原液，然后将电子天平归零，以SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.15％的比例再称取SiO₂@Ag复合纳米颗粒，将称量好的SiO₂@Ag复合纳米颗粒倒入称量好的PDMS原液中，制备成掺有SiO₂@Ag复合纳米颗粒的PDMS混合溶液；

步骤5、向步骤4得到的分散SiO₂@Ag复合纳米颗粒的PDMS混合溶液中滴入0.3g固化剂，然后使用搅拌器对PDMS混合溶液进行搅拌，搅拌后进行脱泡处理，得到制备好的PDMS混合溶液；

步骤2中，PDMS原液为美国道康宁公司生产的Sylgard 184硅橡胶。

步骤3中，搅拌器的转速为2000r/min，搅拌时间为5分钟，脱泡处理的时间为2分钟；

步骤4中，超声分散处理的时间为5分钟，超声分散处理后再采用搅拌器将PDMS混合溶液进行脱泡处理，脱泡处理的时间为30秒；

步骤5中，搅拌器的转速为2000r/min，搅拌时间为5分钟，脱泡处理的时间为2分钟；

步骤6中，旋涂时，先将铜箔吸附于旋涂仪的托盘上，然后启动旋涂仪的真空泵进行旋涂操作；旋涂操作分为前﹑后两个阶段：慢速匀胶阶段和高速定型阶段；慢速匀胶阶段时，旋涂仪工作在300r/min的转速下，旋涂时间为120秒；高速定型阶段时，旋涂仪工作在1000r/min的转速下，旋涂时间为10秒；

将纳米颗粒附着在分散度较好的固体机制表面，构造出复合的微球结构，得到均匀分散的金属纳米颗粒，不仅可以得到均匀分散的金属纳米颗粒，解决了金属纳米颗粒的团聚问题，而且还能够保证纳米颗粒原有的稳定性和活性。SiO₂@Ag复合微球是一种复合微球结构，将成本较高的Ag纳米颗粒1均匀地负载于SiO₂表面，从一定程度上减小了Ag的用量，降低了材料的成本。将粒径为5-10nm的银纳米颗粒负载在粒径为200nm的SiO₂外表面，从而得到均匀分散的SiO₂@Ag复合纳米颗粒，而SiO₂粒子的粒径由于比较大，降低了掺杂过程中的分散难度，其结构模型如图1所示。

图2为采用传统的Ag纳米颗粒1掺杂的TENG模型，Ag纳米颗粒1的掺杂量达到一定值以后，由于其导电性，将会在介电薄膜2与下电极之间形成电荷泄漏通道，从而降低TENG的输出性能；图3采用SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂的TENG模型，由于Ag纳米颗粒1附着于SiO₂绝缘微球表面，因此SiO2微球3将会在薄膜内部构成阻断层4，从而起到阻止电荷泄漏的作用，进而提升TENG的表面电荷密度。

摩擦起电薄膜制备好后，可使用该摩擦起电薄膜制作摩擦纳米发电机TENG，具体制作过程为：首先，采用导线将摩擦起电薄膜的电极引出，并用绝缘胶带将四周包裹，包裹宽度为0.2mm；为了使得摩擦起电薄膜与上电极在接触的过程充分接触，采用双面胶将摩擦起电薄膜的硅油纸面粘贴在一片平面尺寸为3.5cm×3.5cm，厚度为2mm的致密泡沫上，然后将该泡沫粘贴在一片尺寸为4cm×4cm的PMMA上，从而构成摩擦纳米发电机的一侧；另一侧由粘贴在相同尺寸的PMMA上的透明银线电极构成，银线电极与摩擦起电薄膜具有相同大小的尺寸(3.5cm×3.5cm)，采用导线将电极线引出；然后在两片PMMA的四个角上打出定位孔，采用热熔胶用大概1cm高度的弹簧将两片PMMA的四个角连接起来，从而构成垂直接触-分离模式的摩擦纳米发电机TENG。

基于SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂的TENG性能测试：

为了验证SiO₂微球3与Ag纳米颗粒1在SiO₂@Ag复合粒子中分别对TENG输出性能的影响，进行了两组对照试验。

第1组试验：将含银量较高的SiO₂@Ag复合纳米颗粒，按照不同质量分数掺入到PDMS薄膜中，进行测试，测试结果如下：

从图4中可以看出基于未掺杂的PDMS纯膜的TENG的短路电流只有约25μA左右。随着SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数的增加，TENG的短路电流呈现出先增大后减小的趋势，其中当SiO₂@Ag复合纳米颗粒的掺杂质量分数为0.3wt.％时，TENG的短路电流达到最大值，约为57μA，较未掺杂的TENG的短路电流提升了2.28倍。当SiO₂@Ag复合纳米颗粒的掺杂质量分数大于0.3wt.％时，TENG的短路电流开始下降，当SiO2@Ag复合纳米颗粒的掺杂质量分数为0.5wt.％时，TENG的短路电流已经下降到30μA左右，较最大值下降率达到了47％，这可能是由于薄膜本身厚度非常薄，大概为几十微米，较大量的银含量掺杂使得薄膜上下表面出现了逾渗现象，形成了漏电流，同时增大了薄膜的介电损耗，从而器件的输出性能显著降低。

从图5中可以看出开路电压的变化趋势与短路电路类似。基于未掺杂的PDMS纯膜的TENG的开路电压只有约215V左右。随着SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数的增加，TENG的开路电压呈现出先增大后减小的趋势，其中当SiO₂@Ag复合纳米颗粒的掺杂质量分数为0.3wt.％时，TENG的开路电压达到最大值，约为489V，较未掺杂的TENG的开路电压提升了2.27倍。当SiO₂@Ag复合纳米颗粒的掺杂质量分数大于0.3wt.％时，TENG的开路电压开始下降，当SiO₂@Ag复合纳米颗粒的掺杂质量分数为0.5wt.％时，TENG的开路电压已经下降到293V左右，较最大值下降率达到了40％，下降的原因与短路电流下降的原因类似，这里不再进行赘述。

第2组试验：将含银量较低的SiO₂@Ag复合纳米颗粒，按照不同质量分数掺入到PDMS薄膜中，进行测试，测试结果如下：

从图6中可以看出其变化趋势与含银量较高的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂后TENG的短路电流变化趋势类似，均是随着掺杂质量分数的增大短路电流呈现出先增大后减小的趋势，不同的是在SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.1wt.％时，短路电流就达到了最大值，约为60.5μA，较未掺杂的TENG的短路电流提升了2.42倍。当SiO₂@Ag复合纳米颗粒的掺杂质量分数大于0.1wt.％时，TENG的短路电流开始下降。一个有意思的现象是TENG的短路电流并未像含银量较高的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂后TENG的短路电流那样持续的下降，而是逐渐的趋于平稳，稳定值大概在30μA左右。造成这种现象的原因可能是由于Ag的含量较低，因此在此过程中对摩擦发电机输出性能起主要作用的为SiO₂微球3，而SiO₂微球3是绝缘体材料，因此薄膜内部的逾渗现象较弱或者很难形成逾渗通路。

从图7中可以看出开路电压的变化趋势与短路电流类似，均是随着掺杂质量分数的增大短路电流呈现出先增大后减小，而后趋于平稳的趋势。在SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.1wt.％时，开路电压就达到了最大值514V，较未掺杂的TENG的开路电压提升了2.39倍。当SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数大于0.1wt.％时，开路电压降低并趋于平稳，稳定值大概为389V，较未掺杂的TENG的开路电压仍有近1.81倍的提升。出现这种现象的原因与短路电流的原因类似，这里不再进行赘述。

由短路电流(I)与转移电荷量(Qsc)的关系可知：

Q_SC＝∫idt

通过对各个掺杂质量分数下的TENG的一个周期的短路电流进行积分，即可得到各个掺杂质量分数下的TENG的一个周期内的转移电荷量。

首先对含银量较高的SiO₂@Ag复合纳米颗粒按照不同质量分数掺杂后的TENG的短路电流进行积分，结果如图8所示。

由图8可知未掺杂的TENG一个周期内的转移电荷量为85.56nC，由于摩擦薄膜尺寸为3.5cm×3.5cm，因此可以计算出其表面电荷密度大约为：69.8μC/m²。随着含银量较高的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数的增加，转移电荷量先增大后减小，在含银量较高的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.3wt.％时，转移电荷量达到最大值，约为229.54nC，因此可以计算出其表面电荷密度大约为187.4μC/m²，较未掺杂的TENG的表面电荷密度提升了约2.68倍。图9和图10分别显示了这两个TENG一个周期的短路电流信号，以阴影面积表示其一个周期内的转移电荷量。

其次，采用相同的方法对含银量较低的SiO₂@Ag复合纳米颗粒按照不同质量分数掺杂后的TENG的短路电流进行了计算，结果如图11所示。

银含量较低的SiO2@Ag复合纳米颗粒掺杂后TENG的转移电荷量，其变化趋势与其所对应的短路电流的变化趋势相似，随着含银量较低的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数的增加，转移电荷量先增大后减小，然后趋于平稳的状态，在含银量较低的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.1wt.％时，转移电荷量达到最大值，约为295.27nC，因此可以计算出其表面电荷密度大约为241μC/m²，较未掺杂的TENG的表面电荷密度提升了约3.45倍。图12显示了含银量较低的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.1wt.％时的TENG一个周期的短路电流信号，以阴影面积表示其一个周期内的转移电荷量。

由以上分析可知，对于含银量较高的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.3wt.％时的TENG输出性能最优，而对于含银量较低的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.1wt.％时的TENG输出性能最优，因此进一步对TENG的输出功率及其对电容充电性能测试，用以分析掺杂后TENG的输出功率提升效果，测试结果如图13、图14、图15和图16所示。

通过测试不同负载下各个TENG的输出电压，然后利用输出电压与负载阻值计算其瞬时功率值，从而推得每个TENG的最优输出功率。图13为未经掺杂的TENG的输出功率，其在20MΩ的负载下峰值输出功率最大，约为1.07mW；图14为含银量较高的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.3wt.％时的TENG的输出功率，通过计算其在5MΩ的负载下峰值输出功率最大，为7.69mW，较未经掺杂的TENG的输出功率提升了约7.18倍；图15为含银量较低的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.1wt.％时的TENG在不同负载下的输出特性，通过计算其在5MΩ的负载下峰值输出功率最大，为8.45mW，较未经掺杂的TENG的输出功率提升了约7.9倍；实验结果表明进行SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂后TENG的输出功率提升的同时，阻抗有了明显的下降，这对TENG的后续应用至关重要。图16为不同的TENG在相同外界激励下对10μF电容的充电特性，从中可以看出未经掺杂的TENG将10μF电容充到3V大约需要100s的时间，而含银量较高的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.3wt.％时的TENG将10μF电容充到3V大约只需要十几秒，而含银量较低的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.1wt.％时的TENG将10μF电容充到3V大约只几秒，充电效率得到了大幅度的提升。

通过以上实验可以发现含银量较低的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂后的TENG输出要优于含银量较高的SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂后的TENG的输出，这是因为复合纳米颗粒中SiO₂微球3不仅起到了提高金属纳米颗粒分散度以及材料介电性等作用，同时对预防逾渗电流有一定的效果。

Claims

1.一种基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法，其特征是：制备步骤如下：

步骤1、取一片铜箔，用酒精清洁铜箔表面，然后用氮气将铜箔表面吹干；

步骤2、称取PDMS原液，以SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.02%～0.5%的比例再称取SiO₂@Ag复合纳米颗粒，将称量好的SiO₂@Ag复合纳米颗粒倒入称量好的PDMS原液中，制备成掺有SiO₂@Ag复合纳米颗粒的PDMS混合溶液；

步骤4、将步骤3得到的混合均匀的PDMS混合溶液置于超声波分散仪中进行超声分散处理，超声分散处理后再将PDMS混合溶液进行脱泡处理，得到分散SiO₂@Ag复合纳米颗粒的PDMS混合溶液；

步骤7、将步骤6中得到的上表面上形成一层均匀的薄膜的铜箔放置于培养皿中，把培养皿的盖子盖好，然后将培养皿放置于真空干燥箱中进行固化处理，固化处理后将铜箔从培养皿中取出，即得到附着在铜箔上的基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜。

2.根据权利要求1所述的基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法，其特征是：所述搅拌器为行星搅拌器。

3.根据权利要求1或2所述的基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法，其特征是：所述步骤3中，搅拌器的转速为1500r/min～2500r/min，搅拌时间为4分钟～6分钟，脱泡处理的时间为1.5分钟～2.5分钟；

步骤7中，固化处理的过程为：先将真空干燥箱的温度设置为75^oC，然后预热，当真空干燥箱的温度稳定后，将培养皿置于真空干燥箱内，将真空干燥箱内的压强抽到一个大气压，干燥两个小时后，将真空干燥箱的电源关闭，待真空干燥箱内温度降为室温后，将培养皿从真空干燥箱中取出。

4.根据权利要求1所述的基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法，其特征是：所述铜箔的下表面上附着有一层硅油纸。

5.根据权利要求1所述的基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法，其特征是：所述步骤2中，SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.05%～0.4%。

6.根据权利要求5所述的基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法，其特征是：所述步骤2中，SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.1%～0.3%。

7.根据权利要求6所述的基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法，其特征是：所述步骤2中，SiO₂@Ag复合纳米颗粒掺杂质量分数为0.15%～0.2%。

8.根据权利要求1所述的基于复合纳米颗粒掺杂的摩擦起电薄膜制备方法，其特征是：所述步骤7中，培养皿为铝合金培养皿。