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毛刷状ZnO@PVDF复合纳米纤维柔性压电纳米发电机

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电子元件与材料 2023年第2期42卷 173-180页

作者：谈建强李银辉 Emmanuel Uwayezu 梁建国李朋伟太原理工大学纳米能源与器件研究中心山西太原030024

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... 详细信息

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。

关键词：静电纺丝 ZnO@PVDF 毛刷状纳米纤维压电纳米发电机

无铅KNN/rGO/PDMS柔性复合薄膜压电纳米发电机

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微纳电子技术 2022年第5期59卷 445-452页

作者：李银辉孙娇娇谈建强夏梦杰李朋伟太原理工大学信息与计算机学院微纳系统研究中心太原030002

碱金属铌酸系(K,Na)NbO_(3)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)无铅柔性复合薄膜压电纳米发电机因环境友好及良好的柔性引起了广泛关注。然而,复合材料的低介电常数限制了其应用。采用溶胶-凝胶技术合成K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)(KNN)纳米粒子,通过旋... 详细信息

碱金属铌酸系(K,Na)NbO_(3)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)无铅柔性复合薄膜压电纳米发电机因环境友好及良好的柔性引起了广泛关注。然而,复合材料的低介电常数限制了其应用。采用溶胶-凝胶技术合成K_(0.5)Na_(0.5)NbO_(3)(KNN)纳米粒子,通过旋涂工艺制备KNN/还原氧化石墨烯(rGO)/PDMS柔性复合薄膜,并采用多层封装工艺制备了KNN/rGO/PDMS压电纳米发电机。系统研究了rGO的掺杂量对复合薄膜压电纳米发电机的压电性能影响,当掺杂rGO的质量分数为1.5%时,KNN/rGO/PDMS柔性复合压电纳米发电机的输出电压达到最大值6.0 V,比未掺杂rGO的KNN/PDMS柔性复合压电纳米发电机输出电压提高了94%。KNN/rGO/PDMS柔性复合薄膜压电纳米发电机可为储能电容器(电容47μF)充电,并成功点亮商用红色发光二极管(LED),且该压电纳米发电机5000次敲击测试结果显示输出电压稳定。因此,该柔性复合薄膜压电纳米发电机有望在柔性自供电可穿戴设备和电子皮肤等领域得到广泛应用。

关键词： KNN/rGO/PDMS复合薄膜压电纳米发电机柔性材料氧化石墨烯(rGO) 可穿戴设备电子皮肤

基于PVDF与PAN薄膜的全柔性压电纳米发电机研究

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基于PVDF与PAN薄膜的全柔性压电纳米发电机研究

作者：梁琨太原理工大学

学位级别：硕士

近年来,随着电子技术的飞速进步和各种便携、可穿戴智能电子设备的问世,人们的生产生活方式发生了重大变革,同时对能源的获取与利用提出了更高的要求。为了满足压电纳米发电机在可穿戴与可植入等方面的需求,设计具有良好柔性和高度安全... 详细信息

近年来,随着电子技术的飞速进步和各种便携、可穿戴智能电子设备的问世,人们的生产生活方式发生了重大变革,同时对能源的获取与利用提出了更高的要求。为了满足压电纳米发电机在可穿戴与可植入等方面的需求,设计具有良好柔性和高度安全的压电纳米发电机至关重要,然而,目前的柔性压电纳米发电机存在输出电压低、柔性差、成本造价高等问题。本文制备了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯腈(PAN)的柔性压电复合薄膜;研究了层状结构设计对柔性复合薄膜输出性能的影响和导电相掺杂对柔性压电复合薄膜压电输出的影响,并对柔性压电复合薄膜进行了结构表征、电学性能分析、铁电性能分析和应用分析。具体探究内容如下:(1)采用旋涂法制备了不同厚度的PVDF薄膜,探究了层数对PVDF层状结构压电纳米发电机输出性能的影响。结果表明,随着复合膜层数的增加,PVDF复合压电纳米发电机的输出性能先增大后减小,在层数为三时达到最大值,最大输出电压为5.16V。探究了导电相材料还原氧化石墨烯(rGO)的掺杂对PVDF复合薄膜输出性能的影响。结果表明:随着rGO掺杂含量的增加,PVDF/rGO复合薄膜输出性能先增大后减小,并在rGO掺杂含量为0.4wt%时,输出电压达到最大为1.76V;构建了基于PVDF薄膜和PVDF/rGO复合薄膜的异质三明治结构复合压电纳米发电机。结果表明:PVDF/rGO-PVDF-PVDF/rGO三层异质复合压电纳米发电机的输出电压高达为7.72V,是三层纯PVDF压电纳米发电机输出电压的1.50倍。通过稳定性测试,弯曲测试与手指敲击测试,表明该纳米发电机具有良好的柔韧性和稳定性等优点。(2)制备了基于PAN的层状复合薄膜,探究了层数对PAN层状结构压电纳米发电机输出性能的影响。结果表明:随着复合膜层数的增加,PAN复合压电纳米发电机的输出性能先增大后减小,当层数为三时,达到最大输出电压3.44V。探究了rGO的掺杂含量对PAN复合薄膜输出性能的影响。结果表明,随着rGO掺杂量的增加,PAN/rGO复合薄膜的输出性能先增大后减小,并在rGO掺杂含量为0.4wt%时,取得最大值。构建了基于PAN薄膜和PAN/rGO复合薄膜的异质三明治结构复合压电纳米发电机。结果表明:PAN/rGO-PAN-PAN/rGO三层异质复合压电纳米发电机的输出电压高达5.80V,是三层纯PAN压电纳米发电机输出电压的1.69倍。(3)制备了基于PVDF与PAN的异质三明治结构全柔性压电纳米发电机,探究了异质三明治结构压电纳米发电机的输出性能、功率变化及其简单应用。结果表明:PVDF-PAN-PVDF复合压电纳米发电机的输出电压为11.40V,是三层PVDF复合薄膜的2.21倍。而PAN-PVDF-PAN压电纳米发电机的输出电压为12.60V,是三层PAN复合薄膜的3.66倍,并且在输出功率为10MΩ时,取得最大输出功率为4.90μW。通过稳定性测试、落球测试、电容充电测试与弯曲测试,表明该压电纳米发电机具有柔韧性高、灵敏度高与良好的机电转换能力等优点,有望广泛应用于柔性可穿戴电子设备等领域。

关键词：柔性压电纳米发电机复合薄膜 PVDF PAN 异质层状结构

折叠结构的PVDF/BTO复合薄膜压电纳米发电机的制备及性能研究

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材料导报 2024年第6期38卷 234-239页

作者：张昌松王向阳魏立柱王如鹏陕西科技大学机电工程学院西安710016

为提高聚偏氟乙烯(PVDF)的压电输出性能,将钛酸钡(BTO)纳米颗粒引入到PVDF溶液中,使用流延法制备PVDF/BTO复合压电薄膜,采用高温拉伸与电极化工艺处理复合薄膜。使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪、差示扫描量热... 详细信息

为提高聚偏氟乙烯(PVDF)的压电输出性能,将钛酸钡(BTO)纳米颗粒引入到PVDF溶液中,使用流延法制备PVDF/BTO复合压电薄膜,采用高温拉伸与电极化工艺处理复合薄膜。使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪、差示扫描量热仪和准静态压电常数测试仪对复合薄膜的形貌和压电性能进行表征,探究BTO含量对PVDF/BTO复合薄膜的影响,研究BTO诱导PVDF链条偶极子重新排列形成β晶型的机理。结果表明,当BTO含量为10%(质量分数)时,PVDF/BTO复合薄膜的晶体结构中β晶型的含量最多,压电性能最强。最后设计了不同层数的折叠结构并组装制成压电纳米发电机(PENG),发现折叠层数越多,PENG的最大输出电压越高。

关键词：聚偏氟乙烯钛酸钡压电纳米发电机压电性能

面向压电纳米发电机输出提高的铁电畴相场模拟研究

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面向压电纳米发电机输出提高的铁电畴相场模拟研究

作者：王旭兰州大学

学位级别：硕士

随着科技的不断发展，人们对微型能源设备和可穿戴电子设备的需求越来越大，这也促进了压电纳米发电机的研究和应用。作为一种微型能量收集装置，压电纳米发电机可以将机械能转化成电能，为微型电子设备提供能量，具有成本低、结构简单... 详细信息

随着科技的不断发展，人们对微型能源设备和可穿戴电子设备的需求越来越大，这也促进了压电纳米发电机的研究和应用。作为一种微型能量收集装置，压电纳米发电机可以将机械能转化成电能，为微型电子设备提供能量，具有成本低、结构简单、重量轻、能量转换效率高等优点。而且相比于摩擦纳米发电机而言压电纳米发电机具有更好的稳定性。然而，目前压电纳米发电机的输出功率还较低，这极大地限制了压电纳米发电机的实际应用，如何提高压电纳米发电机的输出功率密度是将压电纳米发电机推向应用亟待解决的问题之一。压电纳米发电机的输出功率密度与其压电材料内部铁电畴的极化状态密切相关。因此，研究压电纳米发电机材料内部铁电畴的动力学演化是提高压电纳米发电机输出功率的关键，这方面的研究具有重要的价值和意义。　　本文运用相场方法,以钛酸钡(BTO)为研究对象，研究了铁电薄膜在电场及应力场下的演化，具体研究内容如下：(1)建立了二维钛酸钡相场模拟的模型，提供了无量纲化处理方法以及数值计算和空间离散方法，并研究了温度，弹性长程相互作用能，梯度能等对电畴结构的影响;(2)建立了不同外加电场以及不同外加应力下的二维钛酸钡的相场模型，研究了压电纳米发电机在不同极化电场下的输出，以及不同应力对压电纳米发电机输出的影响。(3)制作了一个柔性钛酸钡压电纳米发电机，并对该压电纳米发电机在不同极化电场和不同应力下的输出进行了测试,以验证相场模拟得到的结果。

关键词：压电纳米发电机铁电畴相场模拟能量收集

基于BTO/PAN复合纳米纤维膜的柔性压电纳米发电机

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微纳电子技术 2024年

作者：马俊格李银辉耿爱森梁建国李朋伟太原理工大学电子信息与光学工程学院纳米能源与器件研究中心

采用简单的一步水热法合成了钛酸钡纳米颗粒(BTO NP),通过静电纺丝法制备了BTO/聚丙烯腈(PAN)复合纳米纤维膜,并基于该膜制备了柔性复合压电纳米发电机。研究结果表明,随着BTO掺杂质量分数的增加,BTO/PAN柔性复合压电纳米发电机的输出... 详细信息

采用简单的一步水热法合成了钛酸钡纳米颗粒(BTO NP),通过静电纺丝法制备了BTO/聚丙烯腈(PAN)复合纳米纤维膜,并基于该膜制备了柔性复合压电纳米发电机。研究结果表明,随着BTO掺杂质量分数的增加,BTO/PAN柔性复合压电纳米发电机的输出电压先增大后减小。当BTO的质量分数为15%时,BTO/PAN柔性复合压电纳米发电机的输出性能最佳,输出电压可达10.2 V,输出电流可达1.52μA。当负载电阻为12 MΩ时,其最大输出功率约为3.72μW,与纯PAN纳米纤维膜压电纳米发电机相比,输出性能有明显改善。经过5 000次循环测试结果表明,BTO/PAN柔性复合压电纳米电机的的输出性能没有明显变化,因此其具有较好的稳定性。同时,该压电纳米发电机能够检测人体的不同状态,为研发高性能和自供电的可穿戴生物电子产品提供了参考。

关键词：压电纳米发电机纳米纤维静电纺丝纳米颗粒(NP) 聚丙烯腈(PAN) 钛酸钡(BTO)

基于P(VDF-TrFE)/CsPbBr3量子点的柔性压电纳米发电机

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基于P(VDF-TrFE)/CsPbBr3量子点的柔性压电纳米发电机

作者：聂佳佳广西大学

学位级别：硕士

在过去的几十年中,许多研究人员一直在致力于开发能源转换系统和生态友好型可持续能源存储,以应对气候变化,全球能源危机和环境污染。压电材料具有将环境中的能量转化为电能的能力。作为压电设备的活跃组成部分,压电材料在致动器,压电,... 详细信息

在过去的几十年中,许多研究人员一直在致力于开发能源转换系统和生态友好型可持续能源存储,以应对气候变化,全球能源危机和环境污染。压电材料具有将环境中的能量转化为电能的能力。作为压电设备的活跃组成部分,压电材料在致动器,压电,自供电传感器和能量收集设备领域越来越受到关注。经常使用的无机压电材料包括半导体压电材料如ZnO、GaN、CdS和ZnS,压电陶瓷如PZT和Ba TiO都具有很大的压电系数和优越的能量转换效率,但存在韧性差、重量重、耐久性低、高毒性,在恶劣环境下的实际应用受到限制的问题。与上述无机材料相比,聚偏二氟乙烯(PVDF)及其共聚物聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))具有柔韧性,轻巧,加工简单等优点,可以极大地弥补无机材料的缺点。聚合物基复合压电材料则结合了无机压电材料的高压电系数和有机聚合物的柔韧性等诸多优点,通过添加一些填料到有机聚合物基体中,可以制备出压电性能高、柔韧性好和使用寿命长的压电复合纳米材料。P(VDF-TrFE)是一种半结晶聚合物,主要有五种不同的晶相,它的压电性能主要与β相的含量有关。P(VDF-TrFE)的β相的含量可以通过纳米粒子诱导,单轴拉伸,高电场极化来提高。本课题制备了一种CsPbBr量子点(QDs)的P(VDF-TrFE)/CsPbBr QDs复合压电材料。在工艺优化、改性、稳定性和在人体运动方面的能量收集应用这几个方面做了详细的研究。具体结论如下:在工艺优化方面,为减少薄膜的表面缺陷,使用真空干燥箱对薄膜进行干燥处理,并且对薄膜进行高压极化处理。在改性方面,研究了不同CsPbBrQDs的P(VDF-TrFE)/CsPbBr QDs复合压电薄膜的压电性能。0.3%CsPbBrQDs的P(VDF-TrFE)/CsPbBr QDs复合薄膜的压电纳米发电机(PENG)的压电系数从15.5 pC N增加到24.5 pC N,开路电压(V)和短路电流(I)分别提高了2.5倍和2.2倍。在稳定性和收集人体运动能量方面,用线性马达撞击优化的PENG数月来验证其稳定性。实验结果表明,即使在2个月后,也未观察到输出特性的明显下降。PENG的疲劳测试表明其作为坚固的可穿戴机械能量采集器的可能性。为了验证其灵活性和检测人体运动的潜力,已经在几种简单的人类动作下研究了从这些设备产生的压电能量,例如,手指轻拍,弯曲,风吹等,显示了其在能量收集和传感方面的巨大应用潜力。

关键词：机械能压电系数 P(VDF-Tr FE) CsPbBr3QDs 压电纳米发电机

PZT/PVDF基柔性复合压电纳米发电机的制备与性能研究

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PZT/PVDF基柔性复合压电纳米发电机的制备与性能研究

作者：吴琦武汉理工大学

学位级别：硕士

随着功能电子器件朝着小型化、轻量化以及低功耗的趋势上发展,开发出与之相匹配的可持续能量源成为一个重要的研究内容。利用压电纳米发电机(piezoelectric nanogenerator,PENG)优异的机械性能以及对环境中的微小振动高度敏感的特点,PEN... 详细信息

随着功能电子器件朝着小型化、轻量化以及低功耗的趋势上发展,开发出与之相匹配的可持续能量源成为一个重要的研究内容。利用压电纳米发电机(piezoelectric nanogenerator,PENG)优异的机械性能以及对环境中的微小振动高度敏感的特点,PENG可以捕捉周围环境中无规则的机械能并将其转化为电能,为智能化功能电子器件的供电问题提供一个可行的解决办法。本论文围绕有机-无机复合压电纳米发电机设计、构建及性能优化,采用锆钛酸铅(PZT)粉体与改性PZT粉体分别与聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)(P(VDF-TrFE))进行复合制备PENG,分析了复合材料相结构、微观形貌以及PENG的电学性能,为制造灵活高效的PENG提供一种新策略。本论文的主要研究内容和成果如下:1、利用简单的溶剂浇注法分别制备了一系列组分的PZT/P(VDF-TrFE)和PZT@C/P(VDF-TrFE)复合膜,采用XRD、SEM、TEM、FTIR等分析表征复合膜结构与微观形貌,使用准静态d测量仪、静电计等设备测试复合材料的电学性能。探究PZT和改性PZT粉体对复合压电纳米发电机性能的影响,并将两种情况下的压电输出性能进行对比。2、分析了PZT陶瓷粉体比重对复合膜相结构和微观形貌的影响,研究发现陶瓷粉体与聚合物两相复合对两相的相结构互不影响,但是随着压电陶瓷粉体含量的增加,粉体在复合膜中的分散性会变差,而碳壳的引入能够改善粉体在聚合物基体中分散性,且明显提高了复合膜中β相的含量以及压电系数。其中,15wt%PZT@C/P(VDF-TrFE)复合膜中聚合物β相的含量为90.8%,d数值为37.4p C/N,(15wt%PZT/P(VDF-TrFE)相应数值分别为83%,30.6p C/N)。3、研究了粉体含量、测试频率和弯曲应变对PZT/P(VDF-TrFE)基PENG输出性能的影响。15%PZT/P(VDF-TrFE)柔性PENG具有最好的输出性能,在1Hz,5mm的测试条件下可分别获得79.5V的开路电压和1.3μA的短路电流,在80MΩ的负载电阻下获得～33μW的最大输出功率。在7000次的弯曲-释放测试过程中未发现输出电压有明显下降。4、通过表面改性制备了具有核-壳结构的PZT@C,研究了碳壳对PENG输出性能的影响。结果表明,碳壳的引入明显提高了PZT/P(VDF-TrFE)基PENG的压电输出性能。其中,15wt%PZT@C/P(VDF-TrFE)柔性PENG性能最优,在1Hz,5mm的测试条件下,可获得107V,3.6μA,0.36μC的电输出性能,在20MΩ的负载电阻下获得了高达～74.4μW的输出功率。相较于PZT/P(VDF-TrFE)基PENG输出性能明显增强。此外,PENG在10000次的弯曲-释放测试过程中未发现输出电压有明显下降。5、研究了所制备的PENG在日常生活中的实际应用性能。结果表明,两种PENG均可以为电容器充电,为发光二极管供电,并且可以收集人体运动产生的机械能。

关键词：压电纳米发电机机械能收集压电复合材料核-壳结构

基于ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜的压电纳米发电机

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压电与声光 2023年第2期45卷 306-312页

作者：孙娇娇李银辉李朋伟梁建国李廷鱼太原理工大学纳米能源与器件研究中心山西太原030024

采用简单的一步水热法合成了自支撑的氧化锌纳米棒(ZnO NRs)@还原氧化石墨烯(rGO)复合材料,通过旋涂法制备ZnO@rGO/聚偏二氟乙烯(PVDF)柔性复合薄膜压电纳米发电机。研究结果表明,ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机的输出性能随Zn... 详细信息

采用简单的一步水热法合成了自支撑的氧化锌纳米棒(ZnO NRs)@还原氧化石墨烯(rGO)复合材料,通过旋涂法制备ZnO@rGO/聚偏二氟乙烯(PVDF)柔性复合薄膜压电纳米发电机。研究结果表明,ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机的输出性能随ZnO@rGO掺杂质量先增大后减小,当ZnO@rGO的质量分数为3.0%时,输出电压可达9.06 V,输出电流可达0.74μA,与仅掺杂3.0%ZnO NRs的ZnO/PVDF纳米发电机相比,其输出电压和电流分别提高了120%和124%。当负载电阻为10 MΩ时,ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机输出功率最大为5.79μW。经过4000次循环测试表明,该文所制备ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机的输出性能稳定。该纳米发电机可以监测人体行走和跑步姿势,记录运动次数。有望作为自供电压力传感器件植入可穿戴电子设备中。

关键词：聚偏二氟乙烯(PVDF) 自支撑结构柔性复合薄膜压电纳米发电机