钛酸钡纳米线/聚偏氟乙烯纤维及其压电传感器的制备

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聚偏氟乙烯(PVDF)作为一种结晶聚合物,具有优异的机械性能、耐化学性、高弹性、热电和压电性能。PVDF熔融纺丝得到的纤维具有直径小,重量低,柔韧性高的特点,可用作单纤维结构微型换能装置。然而普通熔纺制得的PVDF纤维为非极性的α晶,为了优化所以为了提高PVDF中β含量,需要对纤维进行热拉伸和纳米粒子掺杂。钛酸钡(BaTiO3)压电陶瓷具有高压电转换率,铁电等优良性能,被广泛应用于传感器、驱动器的等电子器件领域。高长径比的BaTiO3纳米线掺杂在熔纺纤维内有利于形成均匀规整分布的电畴,提升整个纤维的压电换能性。本文采用水热法合成具有高长径比的BaTiO3纳米线,并以其纳米填料掺杂PVDF熔融纺丝制备BaTiO3/PVDF复合纤维,通过铺放在叉指电极表面,封装成自制压电传感器,分别测量其外部载荷下的压电性能。具体内容包括:(1)采用水热法合成第一步Na2Ti3O7纳米线反应先驱体,分析了碱性反应浓度、反应温度、反应时间对反应产物形态与结晶的影响。确定了制备Na2Ti3O7纳米线最佳工艺参数为:9mol/L碱溶液、200℃反应10h。此条件下制备的Na2Ti3O7纳米线生成平均直径100nm,平均长度41μm长径比在210以上,结晶性最好,无弯曲状态,形貌最佳。水热法合成第二步以Ba(OH)2置换法在Na2Ti3O7纳米线基础上制备BaTiO3纳米线,研究了不同反应温度、反应时间对产物的影响。成功制备出了平均直径155nm、长度8μm,平均长径比53的BaTiO3纳米线。(2)BaTiO3纳米填料为作β相诱导剂,提高成丝纤维中β相的体积含量,并通过热拉伸提升整个纤维的β相含量。研究了BaTiO3含量、牵伸倍数、热拉伸倍数、热拉伸速率、电场强度对BaTiO3掺杂PVDF纤维晶相结构的影响。最佳的工艺参数为:当BaTiO3含量为1wt.%,1.5倍牵伸比,热拉伸倍数5倍,热拉伸速率40mm/min,电场强度18k V时,纤维的结晶率为61.3%,β晶含量95.5%。(3)以聚酰亚胺(PI)膜的叉指电极为基底自制柔性压电传感器,PVDF纤维平行并联排布于叉指端,采用PET薄膜封装。实验分析了热极化BaTiO3/PVDF纤维对压电性能的影响,研究不同极化时间、温度、电场强度的BaTiO3/PVDF纤维压电信号的变化,对BaTiO3/PVDF纤维的应用进行开发。得出结论:BaTiO3/PVDF纤维在热极化前,压电信号输出522m V,在经过40MV/m、90℃、60min的热极化处理后压电信号达到672m V。
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