铁电聚合物P（VDF-TrFE）纳米结构的制备及其应用研究

发布时间：2017-09-09 14:36

  本文关键词：铁电聚合物P（VDF-TrFE）纳米结构的制备及其应用研究

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【摘要】：聚合物普遍具有低成本,易加工,柔韧性好,重量轻等天然优势,因此成为材料研究的一个热点。而以聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物为代表的铁电聚合物材料,不仅拥有这些聚合物的共性,同时还拥有铁电性,压电性,热释电性等一系列独特的性能,这些特性使得铁电聚合物材料在铁电信息存储,压力传感器,红外探测器,太阳能电池等领域具有广泛的应用前景。对于PVDF及其共聚物而言,其铁电性来源于分子链中H-F原子对组成的偶极的定向排列,因此其片晶以及分子链的取向会对材料的性能产生深刻的影响。为此,科研人员研究了包括空间受限诱导,拉伸诱导,电场诱导等一系列方法来获得特定取向的晶体结构。这些具有特定取向结构的晶体在某些物理性质上得到了巨大的提升,从而为制备具有优异性能的有机功能器件提供了基础。由偏氟乙烯和三氟乙烯共聚而来的聚合物聚偏氟乙烯-三氟乙烯P(VDF-TrFE)相对于PVDF而言具有更加稳定的?相结构,这意味着P(VDF-TrFE)拥有更加可靠的铁电性,因此本论文选择以P(VDF-TrFE)作为研究对象。本课题组在先前的研究中已经对P(VDF-TrFE)在空间受限条件下的取向以及性能的关系进行了大量的研究,确认了空间受限条件下片晶的取向行为对材料的物理性能具有决定性的作用。在此基础之上,我们以多孔阳极氧化铝(AAO)作为模板,通过纳米压印的方法,构筑了不同直径的P(VDF-TrFE)纳米柱结构。通过PFM测试我们发现相对于薄膜体系而言,图案化的纳米柱结构具有更强的压电响应以及更小的矫顽场,并且矫顽场的大小则随着纳米柱直径的减小而逐渐降低。随后我们将这一纳米阵列结构应用于P3HT:PCBM共混体系的聚合物太阳能电池中,结果发现在不同极化状态下太阳能电池的效率最多相差了一倍,正向极化状态下电池效率相对于未极化状态提高了25%。除了在太阳能电池上的应用外,由于P(VDF-TrFE)具有优异的压电性能,其在压力传感器,压电式纳米发电机等压电器件中也有大量应用。在本文中,我们以多孔聚酰亚胺薄膜作为衬底,利用熔融填充的方法,在聚酰亚胺管道中构筑了结构连续的P(VDF-TrFE)纳米线,并对其在外部压力作用下产生的压电响应性能进行了研究。结果发现相比较于同样热处理条件下的薄膜样品而言,纳米线结构具有更为强烈的压电响应信号,随后通过掠入射X射线衍射我们分析了纳米线以及薄膜中分子链的取向方式,发现在纳米线结构中分子链沿着垂直于管道的方向排列,而薄膜分子链方向则沿着垂直于衬底的方向。另外,我们根据电压响应与压力之间的关系,计算了纳米线结构的压电电压常数,发现其比薄膜体系有了巨大的提升,同时与纳米管结构相比也有一定的提高。总之,我们通过一系列方法构筑了铁电聚合物P(VDF-TrFE)的纳米结构,并以此为基础研究了纳米结构铁电聚合物在铁电聚合物太阳能电池以及压电响应中的影响。论文的主要意义在于研究了受限环境对P(VDF-TrFE)的取向影响的基础上,进一步研究受限和铁电聚合物性能之间的关系,为铁电聚合物纳米结构在实际器件应用中提供一定的参考意义。
【关键词】：铁电聚合物 纳米结构 聚合物太阳能电池 压电响应
【学位授予单位】：苏州大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TB383.1;O631.3
【目录】：

• 中文摘要4-6
• Abstract6-10
• 第一章 绪论10-31
• 1.1 聚合物10-12
• 1.1.1 聚合物的概念10
• 1.1.2 聚合物的凝聚态结构10-12
• 1.1.3 功能聚合物12
• 1.2 结晶聚合物的取向研究12-16
• 1.2.1 聚合物的结晶12-13
• 1.2.2 结晶聚合物分子和晶体的取向方式13-14
• 1.2.3 聚合物在受限条件下的结晶及取向14-16
• 1.3 聚合物铁电材料PVDF及其共聚物简介16-24
• 1.3.1 铁电材料的概念及其发展历史16-19
• 1.3.2 铁电聚合物PVDF及其共聚物的凝聚态结构19-21
• 1.3.3 PVDF及其共聚物在受限条件下的取向及性能21-24
• 1.4. PVDF及其共聚物的性能应用研究24-29
• 1.4.1 PVDF及其共聚物的铁电性及其应用24-28
• 1.4.2 PVDF及其共聚物的压电性及其应用28-29
• 1.5 本文的切入点及研究方向29-31
• 第二章 P(VDF-TrFE)纳米结构的制备及其形貌31-39
• 2.1 引言31
• 2.2 P(VDF-TrFE)纳米柱阵列的制备及形貌31-35
• 2.2.1 多孔阳极氧化铝模板的制备31-33
• 2.2.2 P(VDF-TrFE)纳米柱阵列的制备33-34
• 2.2.3 P(VDF-TrFE)纳米柱阵列的形貌表征34-35
• 2.3 P(VDF-TrFE)纳米线结构的制备及形貌35-37
• 2.3.1 P(VDF-TrFE)纳米线结构的制备35-37
• 2.3.2 P(VDF-TrFE)纳米线结构的形貌表征37
• 2.4 本章小结37-39
• 第三章 P（VDF-TrFE）纳米柱阵列的铁电性能及其在太阳能电池中的应用39-47
• 3.1 引言39-40
• 3.2 P(VDF-TrFE)纳米柱的铁电性能研究40-42
• 3.2.1 压电力显微镜（PFM）简介40
• 3.2.2 P(VDF-TrFE)纳米柱铁电性能测试40-42
• 3.3 P(VDF-TrFE)纳米柱阵列在太阳能电池中的应用42-46
• 3.3.1 基于铁电纳米柱阵列的聚合物太阳能电池的制备42-43
• 3.3.2 铁电纳米柱阵列对太阳能电池效率的影响43-46
• 3.4 本章小结46-47
• 第四章 P(VDF-TrFE)纳米线压电性能研究47-56
• 4.1 引言47
• 4.2 压电性能测试实验设计47-48
• 4.3 P(VDF-TrFE)纳米线的压电性能研究48-54
• 4.4 本章小结54-56
• 第五章 全文总结及展望56-58
• 参考文献58-69
• 攻读学位期间公开发表的论文及科研成果69-70
• 致谢70-72

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本文编号：821022