【摘 要】
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压电材料利用压电效应可以将以环境振动、流体流动、机器旋转和生物运动等形式的机械能进行收集,并通过能量转换等方式将其应用于生活各个方面。相比较无机压电材料存在硬度脆性及成本的问题,聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物由于其优异的柔韧性、生物相容性和易于制造的工艺等优点而受到广泛关注与研究。通过静电纺丝制备PVDF纳米纤维膜,可以有效的提升PVDF压电性能,提高机电转换中能量利用率,使其在柔性可穿戴和自供
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压电材料利用压电效应可以将以环境振动、流体流动、机器旋转和生物运动等形式的机械能进行收集,并通过能量转换等方式将其应用于生活各个方面。相比较无机压电材料存在硬度脆性及成本的问题,聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物由于其优异的柔韧性、生物相容性和易于制造的工艺等优点而受到广泛关注与研究。通过静电纺丝制备PVDF纳米纤维膜,可以有效的提升PVDF压电性能,提高机电转换中能量利用率,使其在柔性可穿戴和自供电器件等领域展现了优异的应用前景。本论文基于静电纺丝法制备PVDF纳米纤维膜,通过添加醋酸纤维素(CA)和Mo S2@TNr纳米异质结来调控PVDF中β相(压电相)含量,进而提升其压电性能,并组装成摩擦-压电纳米发电机,主要研究内容为以下3个方面:(1)以N,N二甲基甲酰胺(DMF)与丙酮混合溶剂为分散介质,采用静电纺丝技术制备PVDF纳米纤维膜,研究了DMF与丙酮的混合比、PVDF浓度、纺丝电压、纺丝液流速和收集装置类型等不同的实验参数下对PVDF纳米纤维形貌、直径大小以及分布的影响,优化了纺丝最佳参数为:DMF:丙酮=6:4(质量比)、PVDF浓度为12%、纺丝电压为18 k V、纺丝液流速为0.4 m L/h以及滚筒收集器(直径5cm)。并在此条件下,对不同浓度的PVDF纳米纤维膜进行了压电测试和结构分析,结果表明,当PVDF浓度为12%时,其β相含量达到63.65%,输出电压达到最大值2.2 V。(2)将醋酸纤维素(CA)复合到PVDF中,制备了PVDF/CA复合纳米纤维膜,探究了不同比例PVDF/CA对复合纳米纤维膜形貌、结构以及压电性能的影响。结果表明,添加CA后,复合纳米纤维的平均直径增加,直径分散性增大。纤维直径从0.24μm增大到0.37μm,直径分散性从0.05μm-0.40μm扩散至0.10μm-1.0μm。当PVDF与CA的质量比为9:1时,β相含量达到最大值为69.31%,压电性能最大,在大小为1 N、频率为1 Hz的机械应力作用下,输出电压达到4.1 V,电流值达到1.5μA,相比于未添加CA的纯PVDF纤维膜的电压和电流分别提升了78.3%和66.7%,对一个4.7μF的电容充电15 min,可以瞬时点亮9枚LED灯。(3)在PVDF/CA=9/1(质量比)基础上,同时将Mo S2@TNr纳米异质结复合到PVDF/CA中,制备了PVDF/CA/Mo S2@TNr复合纳米纤维膜,并组装成摩擦-压电复合纳米发电机,结果表明,添加Mo S2@TNr后,复合纳米纤维的平均直径下降。当Mo S2@TNr添加量为0.5 wt%时,β相含量达到最高为78.1%,复合纳米发电机的输出性能也最大,在1 N和2 Hz的周期性机械应力作用下,峰值电压达到13.1 V,峰值电流达到3.8μA。增大机械频率,纳米发电机的输出提高,在机械外力为1 N6 Hz时,纳米发电机输出电压和电流分别达到71 V和6.3μA。外接负载阻值为10MΩ时,输出功率达到最大值6.25 m W/m~2,在接入全桥整流电路后,可驱动80个串联的LED灯点亮,表现出良好的机械能量收集性能。
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