亚洲免费av电影一区二区三区,日韩爱爱视频,51精品视频一区二区三区,91视频爱爱,日韩欧美在线播放视频,中文字幕少妇AV,亚洲电影中文字幕,久久久久亚洲av成人网址,久久综合视频网站,国产在线不卡免费播放

        ?

        襯底對聚偏氟乙烯–三氟乙烯基納米能量發(fā)生器壓電性能的影響

        2020-05-18 06:04:10劉茜李潔方兆舟舒落生李迎春
        工程塑料應(yīng)用 2020年5期
        關(guān)鍵詞:振動

        劉茜,李潔,方兆舟,舒落生,李迎春

        (中北大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院,太原 030051)

        近年來,可充電電源和可再生能源引起了人們的極大關(guān)注,這是因?yàn)槿藗冊絹碓綋?dān)心過度消耗能源會導(dǎo)致化石燃料的枯竭和污染。研究表明,通過使用納米材料將各種能量(例如太陽能,風(fēng)能,熱能,潮汐能等)轉(zhuǎn)換為電能已經(jīng)成為了現(xiàn)實(shí)[1–4]。與其它可再生能源相比,機(jī)械振動能源的來源更為豐富,人們可以利用壓電式納米能量發(fā)生器將環(huán)境中的機(jī)械能轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔軄眚?qū)動便攜式電子設(shè)備或?yàn)槠涑潆奫5],這樣一方面可以節(jié)約能源資源,另一方面又能有效地避免傳統(tǒng)化石燃料帶來的環(huán)境污染問題。

        自從2006 年,王中林等[6]研制的納米能量發(fā)生器問世以來,人們逐漸將注意力轉(zhuǎn)移到可將機(jī)械能、風(fēng)能等轉(zhuǎn)換為電能的壓電式納米能量發(fā)生器上。壓電式納米能量發(fā)生器由于機(jī)械應(yīng)力作用將會引起微結(jié)構(gòu)變形從而產(chǎn)生偶極矩,該偶極矩會在發(fā)電機(jī)的兩端產(chǎn)生電位差。在所有高分子聚合物中,聚偏氟乙烯(PVDF)是一種優(yōu)良的壓電材料,PVDF 被用作可穿戴/植入式壓電換能器中的芯材,因?yàn)樗p巧、靈活并具有良好的延展性、可拉伸性和生物相容性[7–10]。然而PVDF 薄膜的壓電性具有一定的局限性,其家族材料聚偏氟乙烯–三氟乙烯(PVDF–TrFE)因其獨(dú)特的結(jié)構(gòu)更容易形成高結(jié)晶度壓電相β 相,與傳統(tǒng)的PVDF 材料相比,具有較大的動態(tài)范圍和較高的力電轉(zhuǎn)換靈敏度,同時該薄膜具有一定的壓電性能,在機(jī)械振動條件下可以產(chǎn)生可觀的壓電勢。

        除了壓電核心功能層,襯底是納米能量發(fā)生器的重要組成部分,其質(zhì)量約占發(fā)生器質(zhì)量的90%以上。近年來,柔性可穿戴技術(shù)以及復(fù)雜曲面等工況條件對納米發(fā)電機(jī)提出了更高的要求,因此柔性襯底的選擇及優(yōu)化引起了人們的重視。研究表明,成本低、成型快、易于商品化的有機(jī)塑料襯底是納米發(fā)電機(jī)的較佳選擇。當(dāng)柔性襯底材料表面發(fā)生形變時會引起壓電材料內(nèi)部發(fā)生一定的拉伸或壓縮應(yīng)變,從而在壓電材料表面產(chǎn)生壓電電勢。目前聚萘二甲酸乙二酯(PEN),聚對苯二甲酸乙二酯(PET)等是制造柔性納米發(fā)電機(jī)時最為常用的一類襯底基材,由其制成的襯底薄膜具有輕便、柔性、透明等特點(diǎn)。

        筆者利用旋涂工藝制備PVDF–TrFE 薄膜,通過掃描電子顯微鏡(SEM)、傅里葉變換紅外光譜(FTIR)、廣角X 射線衍射(WAXD)和準(zhǔn)靜態(tài)壓電應(yīng)變常數(shù)d33的測試對其結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行表征。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了“三明治”式柔性納米能量發(fā)生器,研究各種基材的襯底對PVDF–TrFE 能量發(fā)生器壓電性能的影響,為此裝置在可穿戴式電子設(shè)備上的應(yīng)用提供可能。

        1 實(shí)驗(yàn)部分

        1.1 主要原材料

        PVDF–TrFE:分子量12 萬,偏氟乙烯/三氟乙烯物質(zhì)的量之比為80/20,北京愛普思隆科技有限公司;

        N,N-二甲基甲酰胺(DMF)、無水乙醇、異丙醇:分析純,天津大茂化工有限公司;

        丙酮:分析純,天津市富宇精細(xì)化工有限公司;

        聚 (3,4- 乙 撐 二 氧 噻 吩 )∶聚 苯 乙 烯 磺 酸(PEDOT∶PSS):電導(dǎo)率 600~700 S/cm,上海歐依有機(jī)光電材料有限公司;

        氧化銦錫 (ITO)–PEN,ITO–PET,ITO –導(dǎo)電玻璃:ITO 表面方阻為6~8 Ω,厚度為0.125 mm,深圳華南湘城科技有限公司。

        1.2 主要儀器與設(shè)備

        集熱式恒溫加熱磁力攪拌器:DF–101S 型,天津泰斯特儀器有限公司;

        臺式勻膠儀:KW–4A 型,中國科學(xué)院微電子研究所;

        真空干燥箱:DZ–1BC Ⅱ型,南京福能機(jī)械設(shè)備有限公司;

        FTIR 儀:Bruker tensor 27 型,德國布魯克科技有限公司;

        WAXD 儀:D/max-rB 型,日本理學(xué)株式會社;

        SEM:JSM–6510 型,日本電子株式會社;

        準(zhǔn)靜態(tài)d33測試儀:ZJ–3AN 型,中國科學(xué)院聲學(xué)研究所;

        數(shù)字存儲示波器:ISDS205B 型,常州樂琪電子科技有限公司。

        1.3 PVDF–TrFE 薄膜的制備

        將1.5 g PVDF–TrFE 白色絮狀物加入5 mL DMF,在室溫25℃條件下磁力攪拌60 min,之后在0.09 MPa 真空度中靜置30 min 以除去氣泡,最終得到淡黃粘稠狀澄清溶液。將ITO–PET 導(dǎo)電電極裁剪成3 cm×3 cm,分別用去離子水、丙酮、異丙醇對ITO 電極清洗30 min,放入60℃的烘箱中干燥過夜。使用注射器吸取上述溶液0.3 mL 到ITO電極中央,打開臺式勻膠儀的真空泵使其固定,Ⅰ檔轉(zhuǎn)速500 r/min,旋涂時間18 s,Ⅱ檔轉(zhuǎn)速2 000 r/min,旋涂時間60 s,重復(fù)上述操作3 次,得到旋涂層數(shù)為3 的薄膜。之后將有ITO–PET 的壓電薄膜置于真空干燥箱中140℃退火1 h。

        通過同樣的方法將PVDF–TrFE 薄膜旋涂置于ITO–玻璃、ITO–PEN 襯底上。

        1.4 不同襯底壓電式能量發(fā)生器的制備

        通過旋涂PEDOT∶PSS 導(dǎo)電液作為上電極,吸取0.2 mL PEDOT∶PSS 導(dǎo)電液置于帶有三種襯底的 PVDF–TrFE 薄膜中央,旋涂轉(zhuǎn)速為 2 000 r/min,旋涂時間60 s;將帶有 PEDOT∶PSS 上電極的PVDF–TrFE 薄膜置于烘箱,升溫至120℃,恒溫退火30 min,形成類似于“三明治”的夾心結(jié)構(gòu)的納米能量發(fā)生器,并用銅膠帶把導(dǎo)線從ITO 下電極與PDEDOT:PSS 上電極引出,作為兩端電極;最終用透明膠進(jìn)行封裝,以便連接電路進(jìn)行壓電輸出測試。制得的壓電式能量發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1 所示,該器件結(jié)構(gòu)分3 部分:下部分是ITO 及其襯底,中間是PVDF–TrFE薄膜,上部分為PEDOT∶PSS電極。

        圖1 壓電式納米能量發(fā)生器結(jié)構(gòu)示意圖

        1.5 性能測試

        FTIR 測試:將 PVDF–TrFE 壓電薄膜真空干燥后研碎,使用KBr 壓片,測試范圍500~4 000 cm-1,分辨率4 cm-1,掃描時間32 s,使用Lambert-Beer定律計(jì)算PVDF–TrFE 薄膜中的β 相含量。

        式 (1)中,F(xiàn)(β)為 β 相 含 量,Aα和Aβ分 別 代表的是880 cm-1和840 cm-1處的吸收峰強(qiáng)度,Kβ=7.7×104cm2/mol (840 cm-1處 的 吸 收 系 數(shù) ),Kα=6.1×104cm2/mol (880 cm-1處的吸收系數(shù) )[11]。

        WAXR 測試:利用 WAXR 儀對 PVDF–TrFE 薄膜進(jìn)行測試,Cu 靶,測試角度 10°~40°。

        SEM 測試:將PVDF–TrFE 薄膜表面噴金后用SEM 觀察表面形貌;將PVDF–TrFE 薄膜置于液氮中淬斷,噴金后用SEM 觀察斷面形貌。

        壓電應(yīng)變常數(shù)d33測試:將PVDF–TrFE 薄膜從襯底揭下來,裁剪成0.5 cm×0.5 cm 的大小后放在已經(jīng)校準(zhǔn)好的準(zhǔn)靜態(tài)d33測試儀上方,測量頻率100 Hz,力的大小為0.25 N,緩慢旋轉(zhuǎn)待開始震動后松手,等待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后記錄數(shù)據(jù),記錄15 組數(shù)據(jù),計(jì)算平均值。

        壓電輸出測試:制備尺寸為3 cm×3 cm,不同襯底的能量發(fā)生器器件備用。在室溫25℃環(huán)境利用KDL–02/02L 沖擊錘,輔助器件完成沖擊運(yùn)動,同時利用數(shù)字存儲示波器對能量發(fā)生器的電信號輸出做實(shí)時記錄,每個樣品3 次;其次利用激勵器使能量發(fā)生器產(chǎn)生不同頻率振動能量,收集相應(yīng)電信號進(jìn)行記錄;最后通過振動能量收集實(shí)驗(yàn)對能量發(fā)生器進(jìn)行1 000 次連續(xù)不間斷的耐疲勞性的檢測,振動實(shí)驗(yàn)過程中激勵信號為12 Hz。

        2 結(jié)果與討論

        2.1 PVDF–TrFE 薄膜表征

        圖2 為PVDF–TrFE 薄膜的表面和斷面照片。從圖2a 可以看出,通過旋涂法制備的薄膜表面雖然存在少許缺陷,但是整個薄膜表面比較平整與致密。從圖2b 可以看出該旋涂工藝所制備的薄膜的厚度為 22 μm。

        圖2 PVDF–TrFE 薄膜的表面和斷面SEM 照片

        圖3 PVDF–TrFE 薄膜的FTIR,WAXD 譜圖及d33 值測試數(shù)據(jù)

        圖3 為 PVDF–TrFE 薄 膜 的 FTIR,WAXD 譜圖以及壓電應(yīng)變常數(shù)d33值測試數(shù)據(jù)。由圖3a 看出,500~2 000 cm-1的譜帶屬于官能團(tuán)區(qū),特征基團(tuán)與吸收峰為一一對應(yīng)的關(guān)系。其中841 cm-1處為 PVDF–TrFE 薄膜中鐵電相 β 相的 CF2和 C—C 鍵的對稱伸縮振動吸收峰;884 cm-1頻段的吸收峰為C—C 骨架搖擺振動峰;1 178 cm-1處屬于CF2的伸縮振動。此外1 402 cm-1也屬于鐵電相β 相的特征峰;特征峰1 667 cm-1所對應(yīng)的是C=C 鍵的伸縮振動峰。通過Lambert-Beer 定律計(jì)算 PVDF–TrFE 薄膜中的 β 相含量為 16.14%[11]。PVDF–TrFE 中存在著五種晶型,分別為 α 相、β相、γ 相、δ 相以及 ε 相[12–13],其中最穩(wěn)定的狀態(tài)為α 相結(jié)構(gòu),然而只有當(dāng)β 相含量過高時,該共聚物才會表現(xiàn)出比較優(yōu)異的壓電性能與鐵電性能,因此提高β 相結(jié)構(gòu)含量獲得了人們廣大的關(guān)注。

        通過WAXD 測試對PVDF–TrFE 薄膜的結(jié)晶性能進(jìn)行表征,結(jié)果如圖3b 所示。圖中19.2°處的衍射峰為PVDF–TrFE 薄膜β 相結(jié)晶的(110)晶面衍射,說明通過旋涂工藝制備的PVDF–TrFE 薄膜中大部分晶相為β 相結(jié)構(gòu)。

        壓電應(yīng)變常數(shù)d33是反映壓電材料性能的重要參數(shù),通過使用準(zhǔn)靜態(tài)d33測試儀對所制備PVDF–TrFE 薄膜的d33值進(jìn)行測試,結(jié)果如圖 3c 所示。通過對所測量的15 組數(shù)據(jù)計(jì)算平均值,可以得出 PVDF–TrFE 薄膜的d33為 10.1 pC/N。根據(jù)PVDF–TrFE 薄膜是依靠β 相產(chǎn)生壓電性能的理論,通過上述對PVDF–TrFE 薄膜的性能表征可以得出通過旋涂工藝所制備的PVDF–TrFE 薄膜具有一定的壓電性能。

        2.2 不同襯底能量發(fā)生器壓電性能的表征

        在得到性能較優(yōu)的壓電薄膜后,對壓電薄膜與不同襯底材料組成的“三明治”器件的壓電性能進(jìn)行了表征。襯底材料的剛度對納米能量發(fā)生器變形的影響最大,在相同載荷下拉伸彈性模量較低的材料將顯示較大的變形,襯底變形得越多,其輸出電壓就越高。拉伸彈性模量是評價材料剛度的重要量度,此次實(shí)驗(yàn)所使用的襯底材料的拉伸彈性模量如下:玻璃 73 GPa[14],PEN 5~5.5 GPa[15],PET 3.5 GPa[16]。首先是通過 KDL–02/02L 沖擊錘撞擊不同襯底的能量發(fā)生器從而得到對應(yīng)的電壓–時間曲線,如圖4 所示,主要研究的是不同襯底對納米能量發(fā)生器壓電輸出的影響。該測試中每個錘頭的壓力是固定值,為19 N,靈敏度為4 pC/mV。襯底在沖擊力作用下發(fā)生機(jī)械振動,將振動傳遞到PVDF–TrFE 薄膜從而使其振動。在旋涂工藝中,PVDF–TrFE 大分子鏈段在離心力的作用下發(fā)生取向排列,取向的鏈段在退火過程中促進(jìn)了結(jié)晶,提高了薄膜的壓電性能。同時,由沖擊力撞擊下驅(qū)動的機(jī)械振動會激發(fā)PVDF–TrFE 薄膜的壓電模式,從而產(chǎn)生正弦輸出電壓。圖4a 的壓電輸出曲線顯示了各種襯底對該能量發(fā)生器壓電性能的影響,可以發(fā)現(xiàn)從玻璃到PEN 襯底到PET 襯底,輸出電壓逐漸增加。圖4b 是壓電電壓輸出信號的放大視圖,其顯示了在沖擊錘撞擊能量收集器時壓縮和釋放過程的單個信號。從圖4c 可知具有較低拉伸彈性模量PET 襯底的能量發(fā)生器輸出電壓的平均值為2.13 V,相比玻璃襯底(1.39 V)高53.2%,比PEN襯底(1.74 V)高22.4%。

        圖4 KDL–02/02L 沖擊錘撞擊下不同襯底能量發(fā)生器的壓電性能

        由于大自然界中機(jī)械能表現(xiàn)形式是多種多樣的,在實(shí)際應(yīng)用中,周圍環(huán)境機(jī)械能變化很大,外部激勵頻率不規(guī)則,需要研究不同襯底能量發(fā)生器的壓電輸出性能與不同頻率之間的關(guān)系。因此通過振動能量收集實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步表征不同種類襯底材料對該“三明治”器件壓電輸出的影響,通過信號發(fā)生器產(chǎn)生頻率可調(diào)的正弦函數(shù)信號,由功率放大器放大后輸入激勵器,通過激勵器產(chǎn)生振動頻率,激勵器使能量發(fā)生器振動,產(chǎn)生電荷信號,由示波器顯示出來。圖 5a~ 圖 5c 為分別在 10,12,14,16,18 Hz 振動激勵條件下,不同納米能量發(fā)生器表現(xiàn)出不同的壓電輸出情況。分析可知,納米能量發(fā)生器的壓電輸出不僅與外部環(huán)境激勵的振動頻率有關(guān)而且受襯底材料的影響較大。這是因?yàn)椴煌r底材料在機(jī)械振動的條件下,會產(chǎn)生不同的變形,在納米發(fā)生器上產(chǎn)生不同的壓電電勢,從而影響發(fā)生器的壓電性能。同時納米發(fā)生器輸出壓電電壓在12 Hz 時變?yōu)樽畲笾?,這可能是由于電壓的增加和被測系統(tǒng)中更好的阻抗匹配所致。然而在較高頻率下,可能會限制納米發(fā)生器恢復(fù)到其原始狀態(tài),并且系統(tǒng)的阻抗可能會失配,從而導(dǎo)致輸出電壓降低。圖5d 顯示在最佳振動頻率12 Hz 條件下,具有最低拉伸彈性模量PET 襯底的能量發(fā)生器相比其它兩種襯底材料產(chǎn)生較高的壓電信號,其產(chǎn)生的壓電電壓為1.01 V。

        圖5 不同振動頻率下不同襯底能量發(fā)生器開路電壓–時間圖及最大電壓輸出值

        2.3 納米能量發(fā)生器的穩(wěn)定性能研究

        優(yōu)異的靈敏度和良好的耐疲勞性是能量發(fā)生器能夠?qū)崿F(xiàn)實(shí)際應(yīng)用的前提條件,同時可靠的穩(wěn)定性是能量發(fā)生器能夠正常使用的標(biāo)準(zhǔn)。因此,最終對PET 襯底的能量發(fā)生器的穩(wěn)定性進(jìn)行了研究。在以激勵器產(chǎn)生12 Hz 振動下,對該能量發(fā)生器進(jìn)行了連續(xù)不間斷1 000 次振動循環(huán)實(shí)驗(yàn),測試器件的輸出壓電電壓信號,如圖6 所示。從圖6 可知在長達(dá)1 000 次循環(huán)后該能量發(fā)生器輸出電壓維持在1.01 V,壓電信號未出現(xiàn)明顯衰減趨勢。此次結(jié)果表明,這種柔性的納米能量發(fā)生器具有優(yōu)異的電學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性,為壓電式納米能量發(fā)生器的實(shí)際應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。

        圖6 納米能量發(fā)生器穩(wěn)定性能測試

        3 結(jié)論

        (1)通過簡單的旋涂工藝成功制備出PVDF–TrFE 壓電薄膜并制備出“三明治”式柔性納米能量發(fā)生器。在機(jī)械振動的條件下,PVDF–TrFE 壓電薄膜表面可產(chǎn)生壓電電勢。

        (2)研究了不同種類襯底對于PVDF–TrFE 能量發(fā)生器壓電性能的影響,發(fā)現(xiàn)相比于其它襯底材料,具有最低拉伸彈性模量的PET 襯底能量發(fā)生器顯示出最高的電壓輸出。

        (3) PET 襯底能量發(fā)生器在耐疲勞測試中展現(xiàn)出優(yōu)良的電學(xué)穩(wěn)定性和機(jī)械穩(wěn)定性,為可穿戴電子設(shè)備領(lǐng)域提供了潛在應(yīng)用。

        猜你喜歡
        振動
        振動的思考
        某調(diào)相機(jī)振動異常診斷分析與處理
        振動與頻率
        This “Singing Highway”plays music
        具非線性中立項(xiàng)的廣義Emden-Fowler微分方程的振動性
        中立型Emden-Fowler微分方程的振動性
        基于ANSYS的高速艇艉軸架軸系振動響應(yīng)分析
        船海工程(2015年4期)2016-01-05 15:53:26
        主回路泵致聲振動分析
        UF6振動激發(fā)態(tài)分子的振動-振動馳豫
        帶有強(qiáng)迫項(xiàng)的高階差分方程解的振動性
        青青青草国产熟女大香蕉| 欧美成人一区二区三区| 欧美日韩在线观看免费| 加勒比精品一区二区三区| 69精品国产乱码久久久| 亚洲人成精品久久久久| 最近免费中文字幕| 96精品免费视频大全| 亚洲性感毛片在线视频| 性无码一区二区三区在线观看| 欧美丰满熟妇aaaaa片| 国产自在自线午夜精品视频在| 一本到亚洲av日韩av在线天堂| 亚洲成av人综合在线观看| 成 人 免费 黄 色 视频| 精品久久综合一区二区| 免费国产不卡在线观看| 国产情侣真实露脸在线| 国产山东熟女48嗷嗷叫| 熟女白浆精品一区二区| 国产在线91精品观看| 国产后入又长又硬| 国产成人精品精品欧美| 在线精品亚洲一区二区三区| 人妻少妇偷人精品久久性色av| 亚洲精品无码久久久久久| 国产综合第一夜| 亚洲一区二区自偷自拍另类| 一二区成人影院电影网| 99久久精品免费看国产情侣| 国产精品专区一区二区av免费看| 华人免费网站在线观看| 国产丝袜无码一区二区三区视频| 精品国产一区二区三区亚洲人 | 国产久色在线拍揄自揄拍| 久久国产色av免费观看| 99久久久久国产| 一区二区国产视频在线| 亚洲av中文无码乱人伦在线咪咕 | 亚洲精品中文字幕熟女| 少妇裸体性生交|