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基于3D锆钛酸铅陶瓷纳米纤维网络的压电复合薄膜制备与性能研究

基于3D锆钛酸铅陶瓷纳米纤维网络的压电复合薄膜制备与性能研究

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作者：刘肖飞武汉理工大学

学位级别：硕士

有机/无机柔性压电复合材料兼具了优异的机械柔性与高压电性能,可为柔性可穿戴器件、生物传感器等无源器件提供电力能源输出。以零维无机压电陶瓷粒子为压电功能材料的传统有机/无机压电复合材料存在应力与电荷传递效率低的挑战,继而会... 详细信息

有机/无机柔性压电复合材料兼具了优异的机械柔性与高压电性能,可为柔性可穿戴器件、生物传感器等无源器件提供电力能源输出。以零维无机压电陶瓷粒子为压电功能材料的传统有机/无机压电复合材料存在应力与电荷传递效率低的挑战,继而会对材料的压电性能输出产生影响。为了提高材料的应力传递效率以及电荷迁移速率,本文制备了在空间具有3D网络分布的无机压电纤维毡,并且在无机压电纤维中嵌入导电的碳纳米管CNTs以增加其导电性。系统研究了CNTs含量对压电复合材料力学性能和压电性能的影响,同时在准静态压力、弯曲及重物冲击等形变条件下测试了复合材料的压电输出,最后展示了柔性压电复合材料在机械能收集方面的应用潜力。首先利用静电纺丝法制备了具有3D网络分布的PZT无机压电陶瓷纤维和内部嵌有导电CNTs的CNTs@PZT纳米复合纤维,使其同时具有优良压电性能和导电性能。然后通过灌注渗透的方法制备了纳米纤维/PDMS聚合物基柔性压电复合材料,在无极化的条件下,对该材料进行力学性能与压电性能测试。形貌分析结果表明导电碳纳米管均匀分布在纳米纤维网络中,且随着碳纳米管的加入,复合材料的杨氏模量得到了超过30%的提升。基于上述柔性复合压电材料,使用蒸镀金属铜作为外部电极、柔性PET作为外部封装材料制备了具有传统三明治结构的柔性压电器件。首先在准静态压缩模式下对不同CNTs含量的复合材料进行测试,发现CNTs可以显著提升复合材料压电性能,并在含量为0.6wt%时达到最大值20 V。在重物冲击实验中,同样在0.6 wt%的CNTs含量下得到了最大的压电输出为30 V。弯曲模式测试结果表明随着形变程度的增加,复合材料压电性能也随之增加,以CNTs含量为0.6 wt%的复合材料为例,当其形变量由5 mm增加到10 mm,其压电输出由14 V提升至25 V;而在相同的变形量条件下,复合材料的压电输出则随着CNTs含量的增加而先增加后降低,并在0.6 wt%时开路电压达到最大值25 V,短路电流达到80 n A/cm。最后使用所制备的柔性压电器件在整流器作用下对22μF的电容器进行充电,并成功点亮商用LED灯具。

关键词：柔性压电材料碳纳米管压电输出性能电导率

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基于生物二肽共组装微纳结构纳米发电机

基于生物二肽共组装微纳结构纳米发电机

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作者：韩培培西安电子科技大学

学位级别：硕士

压电肽及其衍生物材料因其固有的生物相容性、降解性和方便的生物功能化等优点,有望为心脏起搏器等生物和医学便携式微电子设备供电,成为一种新型可更新能源。本文以苯丙氨酸二肽（FF）和苯丙氨酸-色氨酸二肽（FW）材料为研究对象,通过... 详细信息

压电肽及其衍生物材料因其固有的生物相容性、降解性和方便的生物功能化等优点,有望为心脏起搏器等生物和医学便携式微电子设备供电,成为一种新型可更新能源。本文以苯丙氨酸二肽（FF）和苯丙氨酸-色氨酸二肽（FW）材料为研究对象,通过调控液相提拉法制备FF和FW共组装二肽（PCA）系列纤维阵列的生长条件、促进两类二肽共组装,探讨各自的性能与形貌调控机制,构建PCA纤维阵列压电发电机器件用于自供电器件并获得优异的输出性能。主要内容和结论如下:（1）本文发现一种基于液相提拉法制备统一极化方向FF纤维水平阵列的方法,利用调控三相界面处蒸发速率、调整带电基底与FF纤维静电反应的协同作用可成功控制FF纤维生长取向、极化方向、密度。研究发现,FF含量、温度、溶液p H直接影响三相界面处局部FF分子浓度,控制着FF分子微米环成环过程;FF溶剂、湿度、提拉速度影响三相界面蒸发速率,调控FF纤维芳香侧链堆叠和肽骨架氢键连接;通过以上多种参数单一或组合的方式,我们可调控FF纤维阵列形貌;筛选基底电性可构建多种电极结构而不影响FF纤维阵列的合成;改善基底表面亲水性有利于增加FF纤维结晶位点,优化FF纤维阵列密度。本工作证实了以上参数控制三相界面蒸发过程以及基底静电荷驱使FF纤维阵列统一极化方向的可行性。（2）本文通过调控影响三相界面处蒸发速率的参数、控制FF与FW含量促进基于液相提拉法的二肽共组装过程进一步优化FF纤维阵列的表面形貌与压电性能。制备不同配比FF和FW的PCA纤维阵列,并对其进行X射线衍射、傅里叶红外光谱、扫描电镜、X射线能谱、压电力显微镜表征,结果表明FF与FW共组装的方式排列成PCA纤维阵列,FW的引入不会引起FF纤维本身晶体结构和形貌的变化,纤维以六边形状构成,晶形结构完好。FW与FF共组装低的成核能,有效的提高PCA纤维阵列面覆盖率近40%、分叉几率仅增加15%。而FW芳香侧链的键连接要比FF的更为极化,增强晶体结构的非对称性,提升压电系数近12倍。（3）使用液相提拉共组装获得极化方向统一、高密度、强压电性的压电二肽PCA纤维,设计并优化基于生物二肽共组装纤维阵列结构的压电纳米发电机。研究发现,PCA15纤维压电器件在48 N压力下获得3.35 V的输出电压、22 n A的输出电流以及6.8 n W的输出功率,在反复循环7500次后输出性能仍保持稳定。FW对PCA纤维阵列生长取向、极化方向、微结构形态和密度的优化高效集成PCA材料的压电响应信号,增加PCA纤维非对称性提升压电系数,这两者的共同作用有效提高了PCA15压电纳米发电机的输出性能,证实了PCA纤维器件作为能量提供装置为微型器件供能的可行性。

关键词：苯丙氨酸二肽苯丙氨酸-色氨酸二肽 PCA共组装纤维阵列压电纳米发电机压电输出性能

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