三维连通多孔陶瓷/PVDF的制备及电性能研究开题报告

 2020-02-10 11:02
1.目的及意义(含国内外的研究现状分析)

一、目的及意义

随着工业化进程的不断推进及人类经济社会的持续发展,化石燃料在过去几十年间的消耗量大幅度提高。由于化石燃料的过度开采并且其短时间内不可再生,近年来对于可再生能源的开发利用越来越引起国内外研究人员的关注。目前为止,多种可再生能源形式包括太阳能、潮汐能、风能、生物质能、机械能等被开发利用。其中,机械能由于其不易受时间、地点、所处环境影响的特点而被认为是一种极具发展前景的可再生能量源[1-7]

目前为止,国内外研究人员提出了多种机械能量转换效应,例如电化学形式、摩擦电效应、离子二极管效应、压电效应、电磁感应等[8-12]。其中,以压电效应为基础的机械能量收集器件具有相对较高的使用稳定性和输出功率,是目前主流的和比较理想的一种机械能量收集器件。压电效应是一种基于机械能与电能互相转换的物理机制,分为正压电效应与逆压电效应两种。正压电效应反映的是机械能转化为电能的能力,因此压电能量收集器基于正压电效应工作,是将机械能转换成电能的一种装置。压电能量收集器大致可以分为三种形式:基于无机压电薄膜的能量收集器、基于高分子压电膜的能量收集器、基于有机-无机复合材料的压电能量收集器。

基于无机压电薄膜的能量收集器的优点在于:具有较高的压电活性(因而表现出相对较高的输出功率密度)、可以在相对较高的温度下使用。但其缺点在于:制备成本较高、工艺相对复杂、难以大批量生产。近年来基于无机压电薄膜的研究主要在于提高其输出功率密度及高温稳定性,同时进一步扩展其在生物医学领域中的应用。Hwang等人采用气凝胶沉积法(Areosol-depositedapproach)制备了厚度约5μm的锆钛酸铅压电薄膜,在弯曲模式下其开路输出电压及短路输出电流分别高达~200V和~35μA[13]。通过整流电路将压电能量收集器采集的机械能存储于电容器中,进而为无线传感网络的数据传输和温度/湿度传感器提供电能。近年来,国内外研究人员报道了基于无机压电材料的柔性能量收集器件在生物医学中的大量应用[14-18]。Hwang等人在其文章中很好的阐述了基于压电单晶薄膜的柔性能量收集器在生物体内的应用[19]。采用PIMNT薄膜(有效面积为1.7cm × 1.7cm)作为压电活性层,通过相对较小的应变产生的电流高达~0.57mA,足以用来刺激老鼠的大脑皮层并控制其肢体运动。Lee等人采用溶胶凝胶法在蓝宝石晶片上制备了厚度约2μm的锆钛酸铅薄膜,而后通过刻蚀和紫外交联等工艺将其转移到聚酯(Polyethyleneterephthalate, PET)柔性基片上[18]。在声学波引起的振动下,锆钛酸铅薄膜产生电信号并传输到数据采集器中。利用锆钛酸铅薄膜在不同声学波下的电学信号差异可以模拟人耳对于声学波的响应,因此其可用于弥补失聪人群对于声音的感知。目前这个方面的研究虽处于初级阶段,但却极具发展前景。

基于高分子压电膜的能量收集器的优点在于:制备工艺简单、可以检测较小的应力/应变(力学敏感度较高)、易于大尺度制备、可以制备成多种异型形状、可控的透光度[20-22]。基于高分子压电膜的能量收集器在应力/应变传感方面和人体健康监测等领域有着广阔的应用前景。但其输出功率密度普遍较低(由于压电高分子的压电活性普遍较无机压电陶瓷低)。目前常用的压电高分子大多为聚偏氟乙烯(PVDF)和其二元共聚物(PVDF-TrFE)、三元共聚物(PVDF-TrFE-CFE)等。研究发现通过石墨烯的引入有助于提高压电高分子的结晶度,从而提高其输出功率密度。Abolhasani等人在其工作中第一次报道了采用静电纺丝工艺制备PVDF纳米纤维的方法[22]。并对石墨烯增强PVDF复合纳米纤维的形貌、结晶度和电学性能作了详细阐述。结果表明通过引入少量石墨烯(0.1wt%)可以显著促进纳米纤维压电β(beta)相的形成(β相比率从77%升高到83%),进而有助于电学性能的提高(输出电压从3.8V升高到7.9V)。Karan等人探讨了铁掺杂石墨烯(Fe-doped RGO)的引入对于PVDF压电膜输出特性的影响。结果表明Fe-dopedRGO的引入有助于PVDF形成极性压电相,进而有助于提高柔性能量收集器的整体输出特性。开路输出电压(Voc)及短路输出电流(Isc)分别为~5.1V和~0.254μA。同时器件还具有较优异的能量存储密度(~0.84J/cm3[23]。文中同时证明了其可用于检测人体重要的生理信号。Sun等人报道了采用反应离子刻蚀工艺制备毫米厚度的PVDF压电带的工艺,压电带的厚度可通过刻蚀时间等参数进行调节[21]。文中证明了采用PVDF压电膜将低速的空气流动转换成电能的可行性,且从实验及理论上分析了电输出响应、空气流速及PVDF压电膜厚度的相互关系,阐述了其作为自发电流速传感器的可行性。文中一方面证实了通过空气流动收集的能量足以驱动小型的电子元器件,另一方面模拟了PVDF压电带收集人体呼吸动能的可行性。Persano等人报道了采用静电纺丝法制备(PVDF-TrFE)纳米纤维的工艺,而后与特氟龙基板(Kapton)复合形成柔性的压力传感器[23]。实验表明此种基于压电效应的压力传感器可以检测到小至~0.1Pa的压力,具有极好的应力敏感度。Lee等人报道了采用(PVDF-TrFE)作为压电活性层,化学气相沉积的石墨烯作为电极制备的透明可拉伸的能量收集器[24],其对于微小幅度的应变具有极好的敏感度。基于此,文中对其在不同风速下的输出电学信号进行了充分表征,结果表明其在传感领域具有良好的应用前景。

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