基于静电纺丝的BCTZ压电纳米发电机的制备与研究

作     者：范贺贺 

作者单位：上海交通大学 

学位级别：硕士

导师姓名：黄惠良

授予年度：2018年

学科分类：080801[工学-电机与电器] 0808[工学-电气工程] 08[工学] 

主      题：压电纳米发电机 BCTZ 静电纺丝 介电泳 PDMS 

摘      要：全球范围内化石能源的过度使用引发了严峻的能源危机和恶劣的环境问题。坚定实行可持续的发展战略,加快开发可再生的清洁新能源已迫在眉睫。压电纳米发电机可以有效地把环境中的微弱机械能转变为电能,从而有望引领一场微纳尺度的新能源技术革命。本文以寻找环境友好、无污染的高性能压电材料为背景,以无铅BCTZ压电陶瓷为基础,以静电纺丝技术为主要的材料制备方案,定性地对比研究了三种基于BCTZ的柔性压电纳米发电机,并从原理上对其差异性的压电性能进行了分析和解释。基于静电纺丝制备的BCTZ纳米纤维经焙烧后,细腻光滑的表面变得十分粗糙,直径均匀地分布在100 nm–250 nm左右,并且结晶良好;在规律性的手指敲击作用下,基于无序BCTZ纳米短棒压电发电机输出的开路电压和短路电流最大分别为0.6 V、10 nA;经介电泳定向后,无序BCTZ纳米短棒在PDMS中沿电场线一致取向排列,纳米发电机的开路电压和短路电流分别提升至2.2 V、90 nA;利用平行铁丝电极收集的BCTZ纳米纤维具有良好一致取向性,由此制备的纳米发电机在规律性的弯折作用下,输出的最大开路电压、短路电流达到了3 V和110 nA。以上实验数据表明,介电泳和平行电极可以有效地提高纳米纤维的取向性,进而大幅度地改善其压电性能。这也充分证明了无铅BCTZ压电陶瓷材料在生物力学能量采集等领域具有巨大的应用潜力。