压电纤维基纳米发电机制备及其压电势诱导传递机理研究

发布时间：2020-06-10 09:35

【摘要】：压电材料能够将力与电信号互相转换,从而在换能器、驱动器、传感器上有着广泛的应用。而当压电材料的尺度减小到微纳米范围时,其性能会发生极大的改变。例如压电纤维的弹性系数会减小,弹性极限增大,压电常数也会随着纤维直径减小而增大,对微弱、低频、不规则的机械振动变得很敏感,也能够产生压电响应。而这种机械振动是环境中广泛存在的的绿色可再生能源,例如气流、水流、噪声、振动、生物运动等等。因此将压电材料纳米化以从周围环境中收集废弃的振动能转化为电能,应用在纳米发电机、有机污染物催化降解等领域,是一种非常有应用前景的技术。但是在已有的研究中,对压电纤维的制备、微观结构与压电-铁电性能的研究仍然不够深入,其压电性能较压电陶瓷仍然较差;而且对于压电纤维在外加应力/应变下如何产生变形并产生压电势,以及压电势如何传递到外部并加以利用的机制研究并不够深入;基于其制备的纳米发电机输出和催化降解性能仍需进一步提升。因此,本文以压电纳米纤维为研究对象,主要研究了以下内容:(1)首先基于新型高性能的无铅压电陶瓷(1-x)(K1-y Nay)(Nb1-z Sbz)O3-x Bi0.5(Na1-w Kw)0.5Zr O3(KNNS-BNKZ)的成分设计,通过静电纺丝法首次制备出KNNS-BNKZ纳米纤维,通过多种分析测试方法对其结构和压电铁电性能进行表征。(2)然后基于KNNS-BNKZ纳米纤维,制备了多种结构的压电纳米发电机,通过测试其电信号输出,分析讨论了基片,电极,纤维空间排布,加载方式,负载等各种因素对纳米发电机输出的影响,进行结构设计优化,实现能量的收集与存储。(3)然后通过应用图案衬底和纤维在空间上的自限制,引入弯曲的一维压电结构和几何的新设计,在多种压电陶瓷纤维中实现了向上的挠曲电自极化,基于这种自极化的纤维,制备出的纳米发电机未极化就能够产生与极化后的纳米发电机相近的电压,这种由于应变梯度导致的自极化非常稳定,能够抵御外加电场和温度变化。(4)制备了0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3(BZT-BCT)压电纤维,并且基于纤维的压电电化学效应,首次实现俘获低频,低能量的机械能以降解Rh B染料水溶液。这些研究极大地促进了一维压电/铁电材料的制备、结构与性能的研究,推动了其在收集利用绿色可再生的振动能上的应用,具有十分重要的意义。
【图文】：

示意图,静电纺丝法,纤维,过程

近些年来已成为制备压电纳米纤维的主要方法用静电纺丝法结合高温煅烧制备了连续，均匀一电极接收器，得到了定向排布的纤维，且首次利织物[30]，纤维均呈现多晶钙钛矿结构，具有铁电ZT 纤维 d33达到 223pm/V[31]。王昭等在叉指电极3（KNN）纤维用于动态应变传感，直径在 100 纳甲醚为溶剂，醋酸为螯合剂，醋酸钾、醋酸钠、静电纺丝法制备锰掺杂 KNN 纳米纤维，，锰的掺杂纤维的形成，并且明显地提升了压电性能，3 mo 40.6pm/V，是未掺杂纤维的 5 倍。Bi Fu[34]等制时，在 300℃发生了扩散相变，从铁电相转变为效应和每个纳米陶瓷颗粒间的不连续性，大大提电性质的变化归结于纤维的多晶结构，极化前后V，这是由于极化后降低了机械品质因子 Q。这种的压电性质，让它能够集成到机电系统中去，在

线阵,扫过,探针,纳米线

化锌纳米线基的压电纳米发电机提出006 年佐治亚理工学院的王中林教授等[5]在《Science》上发表多篇论文，首电机（Nanogenerator，NG）的概念。如图 1-2 所示，在固态导电的氮化上生长垂直一致取向的、整齐排列的氧化锌纳米线（NanoWires，NWs）力显微镜进行测试，在接触模式下利用包覆了一层 Pt 的 Si 探针扫过垂直阵列，测量负载为 500 兆欧的电阻上的输出电压。氧化锌的压电效应将机能，而作为半导体的氧化锌金属探针形成肖特基势垒短暂存储电荷，探针能，能够产生几毫伏的电压。在之后的几年中，研究者们把目光聚焦在纳的科学问题上，例如通过微扰理论计算单根纳米线受到探针扫动时的变形[37]，结合锯齿形金属电极与垂直氧化锌纳米线阵列，在超声波驱动下产生]，通过研究氧化锌载流子浓度与界面处肖特基结特性，发现低的载流子浓基势垒有利于获得更高的电压[39]，以及通过理论计算研究自由载流子抵消以及温度对其的影响[40]。为了把纳米发电机从一个科学概念变成实用技术-45]花费了 4 年的时间将输出电压从最初的 9mV 提高到 1V。
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TM31

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