NaNbO3掺杂PVDF纳米纤维毡的制备与压电性能研究开题报告

 2020-02-10 11:02

1. 研究目的与意义(文献综述)

随着能源短缺以及化石燃料造成的环境污染问题日益严重,可再生的绿色能源成为研究者们重点关注的问题。绿色能源包括太阳能、风能、潮汐能以及振动能等。其中振动能是在各类环境中都普遍存在的能量。而随着可穿戴的柔性电子设备的不断发展,研究者正致力于将环境中的振动能收集并转化为电能,并对此类可穿戴的柔性电子设备供电。收集环境中的机械能的方式主要有电磁式、摩擦式与压电式。其中压电式能量收集方式由于没有结构上的限制以及不需要外接电源等优点正成为能量收集领域的研究热点。

居里兄弟(jacpues curie、pirre curie)在1880年发现压电效应,这是压电研究的起点。压电效应是晶体在力的作用下发生形变,并伴随电势差产生的原因。具备压电效应的材料被称为压电材料。而压电材料分为三类:(1)纳米级半导体压电材料,包括氧化锌(zno)、硫化镉(cds)、硫化锌(zns)、氮化镓(gan)以及氮化铟(inn)等。(2)纳米级钙钛矿压电材料,例如锆钛酸铅(pzt)、铌酸钾(knbo3)、铌酸钠(nanbo3)以及钛酸钡(batio3)等。(3)压电聚合物,例如聚偏氟乙烯(pvdf)。由于传统的压电材料采用刚性衬底,价格昂贵、易碎,制备的器件结构单一且生物相容性较差,能量收集效率较低,在压电设备的制备与应用方面受到制约。相比之下柔性衬底可以裁剪成任何形状,不受振动环境的影响,质量轻柔性好,可以大幅度弯曲从而提高振动能的收集效率。因此基于柔性衬底的压电式能量收集设备由于其独特的优势受到越来越多研究者的研究和关注。

pvdf具有较好的柔性、生物相容性,同时质量较轻,因此成为许多压电设备中的基体材料。pvdf按照不同的链构象有着至少五种不同的结构:α, β, γ, δ与ε相。pvdf中最为常见的是α相,而β相的压电性能最好。β相是一种全反式的tttt构象,这种构象中氟原子位于分子链的一侧,分子沿一个特定方向平行排列,偶极子方向相同进而极性增强。这种极性构象是pvdf具有压电特性的原因。研究表明,通过机械拉伸、静电场极化以及添加无机纳米颗粒等可以促进α相转变为β相,进而提升pvdf的压电性能。为了提升pvdf的压电性能,研究者将不同的纳米颗粒如cus、fe3o4、bivo4等引入到pvdf基体中,这些纳米颗粒作为成核剂诱导β相的形成,进而增强pvdf的压电性能。另一方面钙钛矿压电陶瓷pzt由于具有优异的压电性能也被引入到pvdf基体中以提升复合材料的压电性能。但由于加入pzt引入的pb 及其氧化物具有较强的毒性,同时pzt的合成步骤较为复杂,这限制了pzt在压电材料中的应用。

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2. 研究的基本内容与方案

研究的基本内容:

1.设计实验方案,通过水热法制备nanbo3纳米材料,通过静电纺丝法制备nanbo3/pvdf纳米复合薄膜,从而合成高性能压电式纳米纤维毡。

2.对合成的nanbo3纳米材料、nanbo3/pvdf纳米复合薄膜的形貌、结构与性能进行表征,探究不同尺寸与形貌nanbo3--纳米材料的水热法工艺条件,寻找压电性能较好的nanbo3/pvdf纳米纤维毡制备方法。

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3. 研究计划与安排

第1-3周:查阅相关文献资料,完成英文翻译。明确研究内容,了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案,并完成开题报告。

第4-9周:按照设计方案,合成纳米nanbo3,制备pvdf/nanbo3纳米复合薄膜。

第10-12周:系统表征pvdf/ nanbo3纳米复合薄膜的形貌、结构与性能。

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4. 参考文献(12篇以上)

[1] jung j h, lee m, hong j i,et al. lead-free nanbo3 nanowires for a high output piezoelectricnanogenerator[j]. acs nano, 2011, 5(12): 10041-10046.

[2] fan f r, tang w, wang z l.flexible nanogenerators for energy harvesting and self‐powered electronics[j].advanced materials, 2016, 28(22): 4283-4305.

[3] liu h, zhong j, lee c, etal. a comprehensive review on piezoelectric energy harvesting technology: materials,mechanisms, and applications[j]. applied physics reviews, 2018, 5(4): 041306.

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