【摘 要】
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化石燃料是推动社会发展的重要能源。但是,在使用化石燃料的同时,各地的生态环境遭到了一定的破坏。因此,使用清洁能源代替化石燃料已成为当代社会急需解决的问题。压电材料能够将机械能转换成电能,在新能源领域具有广阔的研究和应用前景。偏氟乙烯基共聚物是一种半结晶的聚合物,存在多种晶型,压电性能优异,同时具备柔韧性、耐化学腐蚀性、材质易加工等性能。偏氟乙烯基共聚物的压电性能主要归因于其内部的极性晶体,而极性晶
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化石燃料是推动社会发展的重要能源。但是,在使用化石燃料的同时,各地的生态环境遭到了一定的破坏。因此,使用清洁能源代替化石燃料已成为当代社会急需解决的问题。压电材料能够将机械能转换成电能,在新能源领域具有广阔的研究和应用前景。偏氟乙烯基共聚物是一种半结晶的聚合物,存在多种晶型,压电性能优异,同时具备柔韧性、耐化学腐蚀性、材质易加工等性能。偏氟乙烯基共聚物的压电性能主要归因于其内部的极性晶体,而极性晶体的生成可通过静电场极化、纳米粒子诱导及高压熔融结晶等方法获取。碳量子点(CQDs)是碳纳米材料中的新秀,其尺寸大小为5-10 nm,拥有荧光强度高、荧光稳定性强的特点。相对于CdSe和CdTe量子点,碳量子点又具有低毒性、环境友好、生物相容性好等优点。本论文将高压结晶和纳米粒子诱导方法相结合,研究偏氟乙烯基共聚物P(VDF-TrFE)在CQDs的原位诱导下进行高压结晶,制备出同时具备高效机电转换和多色荧光发射效应的新型压电聚合物杂化复合材料。采用溶液混料法制备P(VDF-TrFE)/CQDs杂化材料,通过控制变量法将杂化材料在不同的结晶温度、结晶压力、保温时间下进行高压结晶,并利用多种表征手段研究了杂化材料的结晶行为及规律。同时,制备不同CQDs含量的高压结晶P(VDF-TrFE)/CQDs杂化材料,对其光致发光效应和压电性能进行了深入系统的研究。主要结论如下:(1)P(VDF-TrFE)/CQDs复合材料高压结晶行为的研究通过溶液混料法制备的P(VDF-TrFE)/CQDs复合材料,CQDs在聚合物基体中实现了纳米尺度的均匀分散。随着结晶温度增加,高压P(VDF-TrFE)/CQDs结晶度逐渐增加,并且β和α晶型竞争生长。当结晶温度为240℃时,复合体系中β与α晶型的比例达到最大值。同样,结晶压力的适当增加有助于复合体系结晶度的提升。保温时间的延长对复合体系熔点影响不大,但是保温时间越长,样品结晶度越高。当保温时间为60 min时,P(VDF-TrFE)/CQDs的结晶度达到21.97%。用高压结晶研究偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物,生成了在常温条件下得不到的晶体形貌和结构。(2)P(VDF-TrFE)/CQDs杂化材料压电/荧光性能的研究CQDs含量在1%-3%之间变化时,均可经溶液分散法实现其在P(VDF-TrFE)基体中的均匀分散,但发现CQDs在高压下会在压电共聚物中自发地聚集,形成独特的自组织微/纳米结构。随着CQDs含量的增加,高压结晶P(VDF-TrFE)/CQDs中的极化晶体结构明显不同,逐渐由无序堆积的大片花瓣状纳米片晶演变为排列有序的纳米片晶和三维簇晶,并最终形成由纳米线阵列组装而成的高熔点多边形晶体。P(VDF-TrFE)/CQDs杂化材料的压电性能与外界作用力有关,且作用力频率越高,越利于杂化材料的能量采集。同时,P(VDF-TrFE)/CQDs杂化材料的压电输出随着体系中CQDs的含量增加而增强。在机械力为20 N、撞击频率为3 Hz条件下,P(VDF-TrFE)/CQDs(97/3,wt/wt)的开路电压及短路电流输出密度分别达到21.3 V/cm~2及550 nA/cm~2。P(VDF-TrFE)/CQDs纳米发电机在商用LED的实时驱动中显示出优良的耐用性和稳定性,并且在10000次连续工作循环中没有发现电信号输出的衰减。另外,P(VDF-TrFE)/CQDs具有稳定的光致发光特性,无论是在溶液、薄膜、还是高压结晶状态,均呈现出优异的多色荧光发射效应。压电性能的提升和优异的荧光性能,有望应用于自发电的荧光环境探测器中。
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