基于ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜的压电纳米发电机

采用简单的一步水热法合成了自支撑的氧化锌纳米棒(ZnO NRs)@还原氧化石墨烯(rGO)复合材料,通过旋涂法制备ZnO@rGO/聚偏二氟乙烯(PVDF)柔性复合薄膜压电纳米发电机。研究结果表明,ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机的输出性能随ZnO@rGO掺杂质量先增大后减小,当ZnO@rGO的质量分数为3.0%时,输出电压可达9.06 V,输出电流可达0.74μA,与仅掺杂3.0%ZnO NRs的ZnO/PVDF纳米发电机相比,其输出电压和电流分别提高了120%和124%。当负载电阻为10 MΩ时,ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机输出功率最大为5.79μW。经过4 000次循环测试表明,该文所制备ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机的输出性能稳定。该纳米发电机可以监测人体行走和跑步姿势,记录运动次数。有望作为自供电压力传感器件植入可穿戴电子设备中。     

振动能量拾取MEMS压电式微能源研究

设计并制作了一种"四悬臂梁-中心质量块"结构的振动能量拾取微机电系统(MEMS)压电式微能源,实现了环境振动能量向电能的转换。首先利用溶胶-凝胶工艺完成锆钛酸铅(PbZrxTi1-xO3,PZT)压电薄膜的异质集成制备;然后通过MEMS工艺和引线键合技术进行器件基础结构的集成制造;最后借助振动测试系统对该器件的各项输出性能进行测试。测试结果表明,8Hz谐振频率工作状态下,该压电式微能源器件的输出电压峰-峰值随着加速度激励的增加呈线性增大,当加速度激励为10 m/s2时,该能量采集器件的输出电压峰-峰值为82.4mV。在器件两端加载2.0 MΩ的负载时,器件输出功率密度达最大值(为2.074 3μW/cm3)。     

基于PVDF-TrFE薄膜的柔性压电纳米发电机

实验制备的柔性压电纳米发电机用旋涂得到的PVDF-Tr FE薄膜作为有源层来实现机电转换。纳米发电机的有源层PVDF-Tr FE薄膜在外加电场和温度场下被极化。在极化过程中,PVDF-Tr FE薄膜的部分顺电相(α相)转变成铁电相或压电相(β相)。纳米发电机上下电极间的电压分布经过Comsol Multiphysics的数值分析,发现其垂直于PVDF-Tr FE薄膜方向。纳米发电机产生的峰值开路输出电压值VOC为7 V,短路输出电流密度ISC/AE为0.53μA/cm2。实验发现纳米发电机的短路输出电流ISC与有效工作面积间AE近似有线性关系,而物理模型计算得到的ISC也揭示了ISC和AE两者间的线性关系,实验结果验证了物理模型计算结果的准确性。因此,增加纳米发电机的有效工作面积AE可以增强其短路输出电流和输出功率。     

PZT基复合材料的3D打印制备及其柔性传感性能研究

为提高柔性可穿戴传感器的电信号输出能力,设计并制备了以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体,锆钛酸铅(PZT)为压电相的0-3型压电复合材料。并探究了不同固相含量对浆料流变性能的影响。结果表明,浆料的粘度与剪切模量随银修饰PZT质量分数(w(PZT))的增加而增加,w(PZT)=38%时浆料屈服点为398.1 Pa,具有最优的可打印性。在电信号测试中,经银修饰样品最大电压峰-峰可达20.54 V,约为未经银修饰样品最大电压峰-峰值的5倍。弯曲测试中,在长度之差ΔL=7 cm时,样品电压峰-峰值为55 mV,证明样品具备柔性传感性能。     

低频压电式MEMS振动能量采集器研究

设计了一种低频压电d31模式的"八悬臂梁-中心质量块"结构微机电系统(MEMS)振动能量采集器,实现环境振动能量向电能的转换。首先利用溶胶-凝胶工艺实现PZT压电薄膜的异质集成制造,单个锆钛酸铅(PZT)压电敏感单元的有效尺寸为935μm×160μm×1.5μm;然后通过MEMS加工工艺完成器件微结构的加工制造,器件结构有效体积为9.936×10~(-4)cm~3;最后借助振动测试系统对该器件的各项输出性能进行测试。测试结果表明,谐振频率为60Hz、加速度激励为1g(g=9.8m/s~2)时,该能量采集器的输出电压峰-峰值为232mV。在其两端加载3.0 MΩ的负载时最大输出功率为6×10~(-4)μW,输出功率密度为0.604μW/cm~3,PZT压电敏感单元有效面积下的输出功率密度为0.025μW/cm~2。     

基于双拱形结构的压电-摩擦复合纳米发电机北大核心

提出了一种基于双拱形结构的压电-摩擦复合纳米发电机的制备方法,利用锆钛酸铅（PZT）颗粒/碳纳米管（CNT）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）形成的混合压电薄膜与铝电极作为压电层;利用倒模工艺形成带有均匀梯形体微结构的PDMS薄膜,与铝电极形成摩擦层,其中,中间铝电极为共享电极。同时,通过聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜实现双拱形结构,使压电层与摩擦层能够协同工作,提高输出电性能。研究结果表明,采用双拱形结构的复合纳米发电机,其压电单元的开路电压和短路电流值分别增加了52.7%和34.1%;摩擦单元的开路电压和短路电流值分别增加了75.2%和43.2%。压电单元和摩擦单元整流后混合输出的电能能够点亮10盏LED灯,存储在电容中能够为液晶显示屏（LCD）的正常工作提供电能。因此,该复合纳米发电机能够作为绿色能源供给器件被广泛应用。     

BTO NWs/PVDF柔性复合薄膜的制备及其压电性能研究

该文通过两步水热法制备了钛酸钡纳米线（BTO NWs）,采用旋涂法与聚偏氟乙烯（PVDF）复合制备BTO NWs/PVDF复合薄膜。系统地研究了水热反应中不同NaOH浓度、不同反应时间及不同BTO NWs掺杂量对BTO NWs/PVDF复合薄膜压电输出性能的影响,并与商用钛酸钡纳米球（BTO NPs）制备的BTO NPs/PVDF复合薄膜进行了压电性能对比。结果表明,当NaOH浓度为10 mol/L,反应时间为10 h时,BTO NWs/PVDF复合薄膜开路电压和短路电流分别可达5.42 V和1.81 μA。当BTO NWs掺杂量(质量分数)为20%时,复合压电薄膜的开路电压可达9.34 V,短路电流可达2.15 μA,分别是BTO NPs/PVDF复合薄膜输出电压和电流的1.92倍和1.49倍。当负载电阻值为5 MΩ时,BTO NWs/PVDF复合薄膜输出功率可达1.44 μW。经过4 000次循环敲击测试,BTO NWs/PVDF复合薄膜表现出良好的机械稳定性,其有望在自供电器件、柔性可穿戴电子设备等领域得到广泛应用。     

铝掺杂对氧化锌基摩擦纳米发电机输出性能的影响

采用溶胶-凝胶工艺制备不同掺杂浓度的掺铝氧化锌薄膜,以其作为正摩擦材料制备垂直-接触分离结构的摩擦纳米发电机;通过改变铝掺杂浓度优化摩擦纳米发电机的电学输出性能。实验表明:在摩擦层接触面积为4 cm~2的情况下,当氧化锌薄膜中的铝掺杂浓度从摩尔分数2%提高到10%,摩擦纳米发电机开路电压峰值也相应提高;当铝掺杂浓度为摩尔分数10%时,摩擦纳米发电机的开路电压峰值达到最大值20 V,相比未掺杂铝时提高约一倍;当铝掺杂浓度大于摩尔分数10%时,摩擦纳米发电机的开路电压峰值呈现出下降趋势。     

用于压电传感器的层加层结构纳米纤维膜

通过聚丙烯腈(PAN)与改性木质素(CEHL-PTMG)接枝物进行共混,使用多层静电纺丝技术得到PAN|PAN/CEHL-PTMG|PAN层加层结构的纳米纤维膜,并制备一系列的薄膜。对制备的层加层结构纳米纤维膜进行表面形貌、构象、热性能、力学性能以及压电性能测试。实验结果表明：层加层结构使得薄膜的压电性能得到了大幅提高,PAN(11%, 1 mL)|PAN/CEHL-PTMG(11%/2%, 2 mL)|PAN(11%, 1 mL)层加层结构纳米纤维膜的压电性能最为优异,输出电压和电流分别可达2.57 V、1 468.0 nA;层加层结构薄膜的拉伸强度提高到了7.16 MPa,相较复合纳米纤维膜拉伸强度提高了7.51%,比纯PAN薄膜拉伸强度提高了52.67%;结构化后的薄膜的稳定性大幅提高,经过上千次的撞击仍能输出较好的电压;同时将其附于手指及手肘上,能更加明确地指示两者的运动,且在数值上出现较大的差距。     

制备方法对共混物有机薄膜晶体管性能的影响

文章采用旋涂和滴涂两种方法分别制备了聚3-己基噻吩（P3HT）和聚苯乙烯（PS）共混物的有机薄膜晶体管器件,并通过掠角X射线衍射,扫描电镜和原子力显微镜对薄膜结构进行了研究,结果表明使用旋涂方法时薄膜中的P3HT形成了纳米网络结构,P3HT分子采取了共轭平面垂直于硅片表面的排列方式,这种结构有利于载流子的传输,从而提高了旋涂方法得到的薄膜的场效应迁移率。     

弯曲摆动作用下MFC输出开路电压幅值的研究

为了对基于柔性压电材料的流致振动俘能装置的设计优化提供技术支持,对一种压电纤维复合材料（MFC）的压电纤维片在弯曲摆动作用下的压电特性展开研究。首先理论分析了MFC压电纤维片的压电输出机理,并建立了压电模型,得出影响MFC压电纤维片输出开路电压幅值大小的各种因素;然后设计搭建了一种基于步进电机的MFC压电纤维片往复弯曲摆动试验台,利用该试验台研究了MFC压电纤维片在不同弯曲角度、弯曲摆动速度、基板、表面积等因素下的压电特性。研究结果表明,MFC压电纤维片的输出开路电压幅值随纤维片弯曲角度的增加而增大,当输出电压幅值达到最大值,继续增加弯曲角度,输出开路电压幅值不会产生明显变化;其输出开路电压幅值随压电片表面积的增加而变大;弯曲摆动速度及基板对输出开路电压幅值影响较小。     

强冲击压电陶瓷结构的应力波传播及电压输出特性

为了研究强冲击作用下应力波在压电陶瓷复合结构（前基板-压电陶瓷-后基板）中的传播规律和压电陶瓷的电压输出特性,利用自行构建的聚偏氟乙烯（PVDF）冲击压力测试系统和压电陶瓷的电压输出测试系统并结合一级轻气炮加载系统,开展了2A12柱状铝弹丸分别以313m/s、326m/s、379m/s和397m/s的速度正碰撞压电陶瓷复合结构（不同材料的后基板）实验,采集压电陶瓷与后基板间压力传感器产生的电压信号和压电陶瓷的电压输出信号.同时,基于一维弹性波的传播理论,推导了应力波在弹体与压电陶瓷复合结构接触界面所形成的变截面问题中传播时的碰撞速度与压力峰值的计算关系式,得到了不同碰撞速度条件下压电陶瓷后表面处的应力峰值;利用压电陶瓷输出电压与冲击压力峰值间的理论计算关系式并结合Matlab编程对冲击压力的实验数据处理所得到的冲击压力峰值,计算得到了压电陶瓷的电压输出峰值.研究结果表明：通过理论计算得到的冲击压力峰值、电压输出峰值与实验测量所得结果均基本吻合;在碰撞速度接近时,后基板的材料性质（有机玻璃和铝合金）对应力脉冲峰值特征的影响显著,有机玻璃作为后基板的应力脉冲峰值高于后基板为铝合金时的应力脉冲峰值,且有机玻璃作为后基板的脉冲持续时间长于后基板为铝合金时的脉冲持续时间;压电陶瓷的电压输出峰值随冲击压力峰值的增加而增大且二者呈非线性关系.     

基于ANSYS的万向压电换能器仿真分析

针对环境振动源振动方向的多方向性特点,提出了一种万向压电换能器,其可实现对不同方向振动的敏感。基于ANSYS软件建立了万向压电换能器的有限元仿真模型并进行了仿真分析。通过对万向压电换能器的发电性能仿真发现,换能器输出电压随着压电片的厚度和长度的增加,都存在一个最大输出电压值;随着弹性基片长度的增加,换能器的输出电压单调递增。通过对万向压电换能器的多方向发电仿真发现,在x、y、z方向上施外力,该换能器的输出电压分别为17.9V、15.5V、7.2V。     

BaTiO3超薄膜的制备和性能研究

用LB(Langmuir Blodgett)膜技术制备的BaTiO3超微粒–硬脂酸复合LB膜,热处理后形成BaTiO3超薄膜。用紫外–可见光吸收光谱、电子自旋共振、红外光谱和X射线衍射对BaTiO3超薄膜进行研究。BaTiO3超薄膜在190~287 nm范围内具有明显的吸收,而在299 nm附近有强烈的吸收;超薄膜中的BaTiO3微粒存在氧空位,分子内部结构和晶体结构都发生了明显的变化。     

压电-电磁复合式俘能器的设计与实验研究

针对现有压电、电磁俘能器不能同时输出大电压和大电流,设计了一种压电-电磁复合式俘能器。根据设计的复合式俘能器结构进行了理论建模,推导出了电压、电流、振幅和输出功率的表达式,并利用Ansys和Ansoft仿真软件对复合式俘能器的输出特性进行了仿真分析。最后通过实验对比分析了压电、电磁与压电-电磁复合式俘能器的输出特性,分析得到在0.6 g(g=10m/s2)加速度作用下,压电-电磁复合式俘能器的最优输出功率比电磁、压电俘能器分别提高了118%、38%,同时3dB带宽可增大67%、25%。     

压电电磁复合式振动能量采集器模型的研究

针对目前单一化的压电式或电磁式机械振动能量采集装置最大输出功率较低的问题,设计了一种新型的压电电磁复合式能量采集器。通过对复合式能量采集器建立数学模型,推导出了电压、电流及输出功率的表达式。然后对复合式能量采集器的输出功率特性进行数值仿真,并设置压电片内阻值及其他参数条件,对比分析复合式能量采集器模型与单一的压电式或电磁式能量采集器模型,理论上输出功率提高了38.2%和4.74%。最后通过对采用悬臂梁结构的振动能量采集器的具体实验数据进行分析,论证了压电电磁复合式能量采集器输出功率的高效性。     

基于涡致振动的压电能量收集阵列的仿真与实验

为了解决部分微电子设备供电需求大,而单一的压电能量收集结构无法满足的问题,该文对基于涡致振动的压电能量收集阵列进行流-固-电耦合仿真,并与风洞实验数据进行对比.首先对前置阻流体的俘能结构进行测试,验证结构的可行性,然后对串列、并列、错列、长方阵型的压电俘能结构进行研究.仿真与实验结果表明,压电能量收集阵列随风速的增大呈...     

基于微尺度压电振动发电机的微电源设计

为弥补传感器网络传统供电存在的不足,该文设计了一种基于微尺度压电发电机的微电源,其可有效拾取周围环境中的振动能量,从而为低功耗的传感器系统提供电能。该电源由具有微尺度效应的微振动发电机与外部高效的无源峰值监测开关电路集成而得,结合Matlab仿真分析可知,其输出电压可达0.24V;无源峰值监测开关电路能保证压电片间电荷的全部输出,与具有经典接口的微电源相比其输出功率提高了3倍。     

亚微米BaTiO_3 X7R MLC细晶陶瓷介质材料的介电性能研究

基于晶体化学、材料物理化学、电介质物理等基础理论,运用XRD、TEM、EDX、SEM等现代微观分析手段,对亚微米钛酸钡超细粉料制备技术以及高介高性能X7R MLC瓷料和高压高性能X7R MLC瓷料的介电性能进行了研究。     

PVDF压电薄膜传感特性研究

聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜是一种压电高分子材料,它具有独特的压电效应,被广泛应用于振动测量等各个领域。但对于压电薄膜在受到外加应力时其输出特性的研究较少。该文理论分析了PVDF压电薄膜的传感机理和电路等效模型;然后利用COMSOL软件进行仿真;最后实验研究了PVDF压电薄膜在不同激励振幅、激励频率及外加应力下的动态响应。研究结果表明,压电薄膜输出信号的幅值与薄膜振幅成线性关系,与所受外加静态应力无关。