论文部分内容阅读
基于高性能纳米纤维材料的柔性传感器是智能可穿戴、人体运动检测、软机器人等系统的重要组成部分。多功能复合压电材料的开发在未来多场景的许多应用中具有重要意义,然而,相关研究却鲜有报道。开发高性能、多功能的压电材料关键就在于提高有机压电材料聚偏氟乙烯-六氟丙烯(P(VDF-HFP))极性β相含量进而提高压电性能。虽然通过改性方法提高压电性能的研究众多,但是对材料性能提升有限,应用也较为单一。因此,本文基于静电纺丝技术设计了多功能三明治结构的双填料体系压电纳米纤维材料并应用于柔性压力传感器,拓宽了材料的应用范围。主要从静电纺丝工艺、结构设计和填料体系三个方面对有机压电材料进行改性,通过SEM、FT-IR、XRD、DSC、TG、AFM、力学性能测试、灵敏度测试、FL、铁电测试、电致形变测试和压电输出测试等表征手段,研究材料结构和双填料体系对压电材料性能的影响。成功制备具有高压电性能、优异的力学性能和荧光等多种性能的三明治结构复合压电纳米纤维薄膜。本论文的研究将对生产基于高性能、多用途压电纳米纤维材料的高柔性传感器实际应用提供一定的理论指导与技术支持,主要研究内容和成果包括:(1)制备四种稀土铕(Eu)荧光配合物并通过荧光、压电性能分析,选择荧光配合物Eu(TTA)3(TPPO)2作为荧光填料并确定最佳掺杂比例;通过Eu(TTA)3(TPPO)2/无机填料体系和Eu(TTA)3(TPPO)2/导电填料体系实验设计,研究无机填料纳米钛酸钡(Ba Ti O3)、无机填料三氯化铁六水合物(Fe Cl3·6H2O)、一维导电填料羧基化多壁碳纳米管(MWCNTs-COOH)和二维导电填料氧化石墨烯(GO)的最佳掺杂比例和实验体系。利用静电纺丝技术将荧光配合物与填料引入聚合物基体中,其协同效应高效促进β相增加。设计的三明治结构纳米纤维膜对材料的力学性能、灵敏度、铁电性能、电致形变和压电输出等均有明显的促进作用,同时还能保持Eu配合物的荧光性能。(2)Eu(TTA)3(TPPO)2/无机填料体系中,无机填料Ba Ti O3的加入使得β相含量增高20%至97.5%,灵敏度高达0.49 k Pa-1,输出电压可达3 V。同时由于无机填料Ba Ti O3纳米粒子优异的铁电性能,使得三明治结构的PU/PFPCB/PU薄膜在室温下表现出良好的铁电响应,放电能量密度(Ue)达30.45 m J/cm~3是单层膜的两倍,结果表明该体系除用作柔性传感器外,可应用于储能装置中。无机填料Fe Cl3·6H2O的加入使得β相含量增高至96.9%,三明治结构PU/PFPCFe/PU纳米纤维膜具有更优异的力学性能,杨氏模量低至2.3 MPa,应变可达230%,力学性能优于无机填料Ba Ti O3体系的2.5 MPa和180%,压电输出高达3.7 V。(3)Eu(TTA)3(TPPO)2/导电填料体系中,二维导电填料GO有着远优于一维导电填料MWCNTs-COOH的性能。双填料Eu(TTA)3(TPPO)2/GO体系β相含量增高至96.3%,用作传感器中有着高达0.72 k Pa-1的灵敏度,4.5 V超高的输出电压和7 mm的电致形变量,分别是双填料Eu(TTA)3(TPPO)2/MWCNTs-COOH体系传感器灵敏度(0.3 k Pa-1)的2.4倍,输出电压(2.1 V)的2倍和电致形变量(4.8 mm)的1.4倍,杨氏模量1.0 MPa低于一维导电填料MWCNTs-COOH体系的1.2 MPa,但β相含量略低于MWCNTs-COOH体系的97.3%。(4)无机填料体系材料拥有更高的铁电特性,为其用作储能器件提供了可能,导电填料体系力学性能明显优于无机填料体系,杨氏模量大幅降低。基于导电填料优良的导电性能,在施加电场作用下,纳米纤维膜被赋予了优异的电致形变特性,开拓了压电纳米纤维改性材料用于软体制动器的应用。基于静电纺三明治结构双填料体系纳米复合纤维的柔性传感器具有超高低压灵敏度、高压电输出、良好的荧光功能、优异的力学性能和热性能等优点,在多功能柔性传感器、储能、制动器等领域具有很大的应用潜力。