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。     

毛刷状ZnO@PVDF复合纳米纤维柔性压电纳米发电机

采用静电纺丝技术并通过两步低温水热法制备了“毛刷”状的氧化锌(ZnO)@聚偏二氟乙烯(PVDF)复合纳米纤维膜。结果表明，氧化锌纳米棒(ZnO NRs)均匀地径向生长在PVDF纳米纤维的表面，FTIR分析发现ZnO@PVDF复合纳米纤维膜β相含量相比PVDF纳米纤维膜从72.3%提升到85.6%,增加了18.4%。ZnO@PVDF复合压电纳米发电机(PENG)输出电压可达4.9 V,短路电流为293 nA。在外部负载电阻达到13 MΩ时，ZnO@PVDF复合PENG达到最大输出功率0.93μW。ZnO@PVDF复合PENG可以为电容器充电，电容放电时成功点亮LED小灯泡。此外，在5000次的循环敲击测试中，ZnO@PVDF复合PENG具有稳定的输出电压，有望作为无源设备的自供电电源得到广泛应用。     

异质三明治结构柔性薄膜压电纳米发电机研究

采用旋涂法制备不同质量分数还原氧化石墨烯(rGO)的PVDF/rGO复合薄膜。采用层层堆叠法构建层层组装异质三明治结构(PVDF/rGO-PVDF-PVDF/rGO)的压电纳米发电机(PNG)。系统研究了rGO掺杂、异质结构设计对压电输出性能的影响。研究结果表明，在掺杂rGO质量分数为0.4%时，单层PVDF/rGO复合薄膜压电纳米发电机的开路电压达到1.76 V，短路电流达到0.18 μA。层层组装异质类三明治结构PVDF/rGO_0.4-PVDF-PVDF/rGO_0.4的PNG，开路电压高达7.72 V，是单层PVDF/rGO复合PNG的4.39倍；短路电流可达0.69 μA，是单层PVDF/rGO复合PNG的3.83倍，这促进了电荷的转移，提高了电荷利用率。PVDF/rGO_0.4-PVDF-PVDF/rGO_0.4复合层层异质结构PNG经过4 000次循环敲击测试，三层异质复合PNG压电输出稳定，有望在柔性可穿戴电子器件、人机交互及电子皮肤等领域得到广泛应用。     

鱼明胶/BTO柔性复合薄膜的压电纳米发电机

基于压电陶瓷和压电聚合物组装的柔性压电纳米发电机(PNG),由于其较差的生物相容性和生物降解性,限制了其在可穿戴设备和植入设备等领域的应用。通过水基分散法制备了鱼明胶/钛酸钡(BTO)柔性复合薄膜PNG,其兼具良好的生物相容性和高压电输出特性。研究结果表明,当BTO掺杂质量分数为50%时,鱼明胶/BTO柔性复合薄膜PNG的输出性能最优,输出开路电压可达约7.2 V,短路电流约为275 nA,比纯鱼明胶柔性薄膜PNG分别约提高了3.8倍和3.4倍,输出功率可达2.2μW,并且鱼明胶/BTO柔性复合薄膜PNG经过2 000次循环敲击测试后,输出开路电压没有明显下降,柔性复合薄膜PNG的输出性能稳定。同时,将鱼明胶/BTO柔性复合薄膜PNG贴合到手指关节处,可以对不同手指弯曲进行实时监测,表明该鱼明胶/BTO柔性复合薄膜PNG具有良好的柔性和生物相容性,有望在可植入和可穿戴电子设备中得到广泛应用。     

PVDF@AgNWs复合压电发电机的制备与性能研究

采用静电纺丝法和退火后处理工艺制备高β相含量的聚偏氟乙烯(PVDF)纤维膜,并通过复合银纳米线(AgNWs)形成导电网络来获得高性能PVDF@AgNWs压电发电机。研究了制备工艺(静电纺丝、退火)及AgNWs添加量对器件压电输出性能的影响,结果表明,电纺PVDF纤维膜经退火并控制AgNWs质量分数0.10%条件下,PVDF@AgNWs压电发电机在5 MPa压力下,可输出约114 V压电电压及约1.3×10^-7 A电流。该压电发电机具有良好的能量采集性能,可直接为电容器充电,并可驱动LCD显示模组,在自供电柔性可穿戴电子领域具有应用潜力。     

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。     

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。     

基于PVDF/GO纳米复合薄膜的柔性压电传感器

为了解决有机柔性压电传感器压电输出较小的问题,设计了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)掺杂氧化石墨烯(GO)的柔性压电传感器.介绍了该传感器的制备方法,对比了有无掺杂GO对传感器压电输出性能的影响,并且分别对它们进行了相关测试.结果表明,掺杂质量分数0.5％的GO后,PVDF中的p相结晶度提升了16.7％,且传感器具有更高...     

角蛋白柔性摩擦电人体运动传感器的研究

摩擦电传感器作为一种新型的自驱动传感器,为可穿戴柔性电子皮肤应用在人体运动信息采集提出了新的方案。采用溶胶-凝胶工艺制备不同掺杂浓度的角蛋白/PDMS薄膜,将其作为负性摩擦层制备了单电极式摩擦电传感器。结果表明,在摩擦层接触面积为25 cm²时,当薄膜中角蛋白掺杂浓度从质量分数0%提高到10%时,传感器的输出电压呈现上升的趋势。摩擦层的输出性能在角蛋白掺杂浓度为10%时最佳,输出电压达到320 V,相较于传统的纯PDMS摩擦层,其输出性能提高了约一倍。基于角蛋白/PDMS摩擦层制备的柔性传感器应用在人体各个运动部位,能够实现人体运动信息反馈。     

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。     

摩擦纳米发电机输出性能提升及自驱动防腐系统

摩擦纳米发电机(TENG)是一种基于摩擦起电和静电感应的新型绿色能源转化装置,能够将环境中各种形式的机械能转化为电能,TENG产生的电能可用于电化学防腐.制备了氧化石墨烯(GO)掺杂聚氯乙烯(PVC)复合薄膜,基于PVC复合薄膜组装TENG,研究不同掺杂质量分数的GO对TENG输出性能的影响.研究结果表明,当GO的掺杂...     

基于PVDF/GO电纺复合纳米纤维声驱动式摩擦纳米发电机

声能作为一种广泛存在的可再生能源,在自供电传感器领域具有巨大潜力,但是环境中声源大多为中低频声源,且声能量密度较低。为了提高中低频段声能的收集效率,介绍了一种基于聚偏氟乙烯/氧化石墨烯(PVDF/GO)电纺复合纳米纤维薄膜的声驱动式摩擦纳米发电机(TENG)。TENG的构造由两层绣棚固定的导电布和中间夹一层PVDF/GO电纺纳米纤维薄膜组成,其中导电布与纤维膜之间通过涤纶树脂(PET)圆环分隔。在117 dB、130 Hz的声源激励下,TENG可以产生高达550 V的峰值电压和61μA的短路电流,瞬时最大输出功率密度为701μW/cm²。TENG在中低频段有着高效的声电转换特性,这种特性使其成为一种潜在的低功耗设备供电解决方案。     

P/C柔性复合压电薄膜通过技术鉴定

现代电子功能材料与器件学科的一个新型领域——柔性复合压电功能薄膜,于1991年12月29日在电子科技大学通过技术成果鉴定。 P/C柔性复合压电薄膜系PVDF基压电聚合物与铁电陶瓷PZT等3—0型柔性复合压电PVDF/PZT薄膜系列,具有兼顾优异机械韧性与高度综合压电特性,柔韧性(C_33<9N/m~2柔韧强度),耐震抗冲击、紧触检测灵敏性,可塑加工性(大面积成膜、     

ZnO/p-Si异质结构的电学输运特性

采用等离子体浸没离子注入沉积方法,在p型Si衬底上制备了具有整流特性的、非故意掺杂的以及掺氮的ZnO/p-Si异质结.非故意掺杂的ZnO薄膜为n型(电子浓度为1019cm-3数量级),掺氮的ZnO薄膜为高阻(电阻率为105Ω·cm数量级).非故意掺杂的ZnO/p-Si异质结在正向偏压下,当偏压大于0.4V,电流遵循欧姆定律.然而对于掺氮的ZnO/p-Si样品,当偏压小于1.0V时,电流表现为欧姆特性,当偏压大于2.5V时,电流密度与电压的平方成正比的关系.分别用Anderson模型和空间电荷限制电流模型对非故意掺杂和掺氮的ZnO/p-Si异质结二极管的电流输运特性进行了解释.     

Ag掺杂浓度对ZnO纳米花荧光增强的影响

采用水浴与光照相结合的方法制备了Ag/ZnO纳米复 合结构,研究了不同Ag掺杂浓度对 ZnO发光强度的影响。通过X射线衍射(XRD)、扫描电子显微镜(SEM)和光致发光 (PL)光谱对Ag/ZnO纳米复合物的结构、形貌和光学性能进行了研究。SEM表明,由水浴法制 得的ZnO纳米花结构长约1.0μm,直径为200nm左右。XRD结果显示,Ag掺杂后Ag/ZnO 纳米复合结构衍射峰的强度都增强,当掺杂浓度为0.153wt%时,在38.28°出现了Ag₂O的衍射峰。PL表明,Ag浓度极大影响了ZnO紫外发光强度。当Ag的掺杂 浓度为0.051wt% 时,Ag/ZnO纳米复合结构具有最强的紫外发射强度,同未掺杂的ZnO相比,紫外发光强度提 高了11倍。研究结果表明,利用Ag纳米颗粒的局域表面等离子共振(LSPR)特性增强了ZnO纳 米结构的荧光强度,从而提高了荧光检测的灵敏度。     

PVDF纳米纤维在微流体中的压电能量收集特性研究

供电系统尺寸过大、寿命较短且需频繁充电的问题已成为当前无线传感和物联网领域亟待解决的关键问题。基于压电纳米材料的微型能量收集器件可将环境中富余的机械能高效地转换成电能,构建自供电的无线传感系统。本文采用静电纺丝技术制备高长径比聚偏氟乙烯(PVDF)压电纳米纤维,通过调整静电纺丝过程中前驱体溶液的浓度实现了对纳米纤维压电?物相含量的调控。结果表明,压电?相的含量会随着前驱液浓度的增加而提高,在浓度为0.13 g/m L时达到最大。当浓度进一步增加,?相含量逐渐降低。所得PVDF纳米纤维能量收集器件具有良好的压电发电性能,在外力作用下可产生约1.6 V的脉冲电输出。将PVDF纳米纤维与微流控芯片进行集成,通过采集液滴流动时所产生机械能,实现了连续的动态压电输出,输出电压峰峰值约为0.2 V。这种液相环境中对流体机械能的高效采集有望推动压电纳米纤维能量收集器件在微流控传感系统中的应用。     

基于柔性印刷电路板技术的纳米发电机

基于柔性印刷电路板(FPC)技术,制造了2种柔性Zn O纳米发电机。首先,使用简单的一步溶剂热法制备Zn O纳米线,前驱体为二水合醋酸锌(Zn(Ac)2·2H2O)和氢氧化钠(Na OH),溶剂为乙醇。绝大部分Zn O纳米线的直径在20~30 nm之间,表明制备的纳米线具有均匀的形貌。然后,使用一种新颖的离心方法制备有序堆积的Zn O纳米线薄膜。SEM表征表明,Zn O纳米线薄膜中,纳米线横向紧密有序排列。最后,采用柔性印刷电路板技术,制造了2种柔性Zn O纳米发电机。对使用示波器纳米发电机的输出电压进行测试,开路电压最高达到10 V。纳米发电机是利用Zn O纳米线的压电效应和广泛存在的摩擦电静电效应,将周围环境中广泛存在的各种有用机械能转换为电能。这里制造的纳米发电机的工艺兼容传统的柔性印刷电路板技术,未来,这种柔性纳米发电机能够集成在柔性电路板中,形成自供电的小型化电子系统。     

激励剪切振动模式的ZnO压电薄膜的研制

本文介绍用于激励剪切振动模式的ZnO压电薄膜的制备方法、性能及应用前景.采用辅助阳极环,改变基片角度等的RF平面磁控溅射技术,在低气压、高速率的溅射条件下,制备出了c轴偏离基片法线40°,声速为2830m/s,机电耦合系数达到29—32%的ZnO压电薄膜.为制作微波复合谐振器和微波声换能器提供了性能优良的新型压电薄膜材料.     

Al薄膜对(002)ZnO/Al/Si结构基片中ZnO薄膜特性影响的实验研究

采用射频磁控溅射法沉积制备了(002)ZnO/A l/Si复合结构。研究了Al薄膜对(002) ZnO/Al/Si复合结构的声表面波器件(SAWD)基片性能影响以及当ZnO 薄膜厚度一定时的Al膜最佳厚度。采用X射线衍射(XRD)对Al和ZnO薄膜进行了结构表征 ,采用 扫描电镜(SEM)对ZnO薄膜进行表面形貌表征,并从薄膜生长机理角度进行了分析。结果 表明,加Al薄膜有利于ZnO薄膜按(002)择优取向生长,并且ZnO 薄膜的结晶性能提高;与(002)ZnO/Si结构基片相比,当Al薄膜 厚为100nm时,(002)ZnO/Al/Si结构中ZnO薄 膜的机电耦合系数提高 了65%。