基于PVDF与PAN薄膜的全柔性压电纳米发电机研究

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近年来,随着电子技术的飞速进步和各种便携、可穿戴智能电子设备的问世,人们的生产生活方式发生了重大变革,同时对能源的获取与利用提出了更高的要求。为了满足压电纳米发电机在可穿戴与可植入等方面的需求,设计具有良好柔性和高度安全的压电纳米发电机至关重要,然而,目前的柔性压电纳米发电机存在输出电压低、柔性差、成本造价高等问题。本文制备了一种基于聚偏氟乙烯(PVDF)和聚丙烯腈(PAN)的柔性压电复合薄膜;研究了层状结构设计对柔性复合薄膜输出性能的影响和导电相掺杂对柔性压电复合薄膜压电输出的影响,并对柔性压电复合薄膜进行了结构表征、电学性能分析、铁电性能分析和应用分析。具体探究内容如下:(1)采用旋涂法制备了不同厚度的PVDF薄膜,探究了层数对PVDF层状结构压电纳米发电机输出性能的影响。结果表明,随着复合膜层数的增加,PVDF复合压电纳米发电机的输出性能先增大后减小,在层数为三时达到最大值,最大输出电压为5.16V。探究了导电相材料还原氧化石墨烯(rGO)的掺杂对PVDF复合薄膜输出性能的影响。结果表明:随着rGO掺杂含量的增加,PVDF/rGO复合薄膜输出性能先增大后减小,并在rGO掺杂含量为0.4wt%时,输出电压达到最大为1.76V;构建了基于PVDF薄膜和PVDF/rGO复合薄膜的异质三明治结构复合压电纳米发电机。结果表明:PVDF/rGO-PVDF-PVDF/rGO三层异质复合压电纳米发电机的输出电压高达为7.72V,是三层纯PVDF压电纳米发电机输出电压的1.50倍。通过稳定性测试,弯曲测试与手指敲击测试,表明该纳米发电机具有良好的柔韧性和稳定性等优点。(2)制备了基于PAN的层状复合薄膜,探究了层数对PAN层状结构压电纳米发电机输出性能的影响。结果表明:随着复合膜层数的增加,PAN复合压电纳米发电机的输出性能先增大后减小,当层数为三时,达到最大输出电压3.44V。探究了rGO的掺杂含量对PAN复合薄膜输出性能的影响。结果表明,随着rGO掺杂量的增加,PAN/rGO复合薄膜的输出性能先增大后减小,并在rGO掺杂含量为0.4wt%时,取得最大值。构建了基于PAN薄膜和PAN/rGO复合薄膜的异质三明治结构复合压电纳米发电机。结果表明:PAN/rGO-PAN-PAN/rGO三层异质复合压电纳米发电机的输出电压高达5.80V,是三层纯PAN压电纳米发电机输出电压的1.69倍。(3)制备了基于PVDF与PAN的异质三明治结构全柔性压电纳米发电机,探究了异质三明治结构压电纳米发电机的输出性能、功率变化及其简单应用。结果表明:PVDF-PAN-PVDF复合压电纳米发电机的输出电压为11.40V,是三层PVDF复合薄膜的2.21倍。而PAN-PVDF-PAN压电纳米发电机的输出电压为12.60V,是三层PAN复合薄膜的3.66倍,并且在输出功率为10MΩ时,取得最大输出功率为4.90μW。通过稳定性测试、落球测试、电容充电测试与弯曲测试,表明该压电纳米发电机具有柔韧性高、灵敏度高与良好的机电转换能力等优点,有望广泛应用于柔性可穿戴电子设备等领域。
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