柔性功能高分子材料及器件的设计与应用

发布时间：2017-12-24 00:04

本文关键词：柔性功能高分子材料及器件的设计与应用　出处：《中国科学技术大学》2017年博士论文　论文类型：学位论文

【摘要】：近年来,柔性器件因其具有柔性、轻薄等特性,在生物医学、能量存储与转换器件、可穿戴设备、医用传感器、便携设备等领域广泛研究。柔性器件大多采用柔性电子技术,在弹性基底上,把刚性的微电子器件通过柔性的导线连接起来。刚性的微电子器件大大限制了器件的可变形性,且工艺比较复杂,难以适用于大规模、大面积的组装。用具有可拉伸性的有机导电材料和半导体材料制备柔性器件是一种简便有效的方式,但是现有的有机导电材料和有机半导体材料的可拉伸性较差,材料的机械性能和电学性能有待改进。本论文旨在设计合成并利用柔性的功能高分子材料,直接组装柔性器件,分别是柔性驱动器、柔性超级电容器及柔性的热释电纳米发电机,研究其在能量转换、存储、和收集方面的应用。本论文对如何设计合成柔性的导电高分子及利用柔性功能高分子材料组装柔性器件具有积极的指导意义。论文的工作包括以下四部分的内容:(1)利用电化学聚合法合成的聚吡咯可以形成自支撑的薄膜。但聚吡咯主链的刚性共轭结构导致聚吡咯薄膜比较脆,机械性能很差,大大限制了它作为柔性电子材料的应用。之前的研究中在提升聚吡咯薄膜的机械性能和导电性方面做了大量的尝试。但聚吡咯薄膜的强度和可拉伸性并没有得到很大的提升,制备高强度、柔性以及高导电性的聚吡咯薄膜,是将聚吡咯薄膜应用于柔性电子器件领域的关键。通过模拟动物真皮的动态网络结构,我们设计并合成了一系列多元醇-聚吡咯复合材料。多元醇与聚吡咯之间通过氢键和静电相互作用交联形成动态网络结构,这种动态的网络结构能够帮助耗散外界施加的破坏性能量,从而大幅提高材料的强度和韧性。多元醇-聚吡咯复合材料的机械性能和多元醇的结构密切相关,其中具有四分支结构的聚乙二醇(PEE)和聚吡咯的复合物(PEE-PPy)的机械性能最为优异:PEE-PPy的拉伸强度可达125 MPa,平均断裂伸长率为75%,弹性韧性高达73 MJ/m~3,其弹性韧性超过茧丝(70 MJ/m~3)。除此之外,PEE-PPy的电导率高达115 S/cm,优于传统的聚吡咯材料。多元醇-聚吡咯复合材料的高强度、韧性、柔性和优异的导电性,使其作为柔性电子材料具有很大的应用潜力。(2)第一部分中制备的多元醇-聚吡咯薄膜是一种对湿度具有灵敏响应性的聚合物。通过在湿度响应性的聚吡咯薄膜中掺入超顺磁性的磁性纳米粒子,我们设计并制备了湿度驱动的柔性"牵引机"。在外界静态磁场的控制下,这种直接用柔性功能性聚合物薄膜制备的柔性驱动器,可以有效地把蕴藏在环境湿度梯度中的化学自由能转化为机械能,并且能快速地将它本身重量5倍的货物运输到目的地。(3)伴随着轻便可移动电子器件以及可穿戴设备等柔性器件的发展,作为新型储能器件,柔性超级电容器的需求也与日俱增。我们制备的聚乙二醇600(PEG 600)掺杂的聚吡咯(PEG 600-PPy)薄膜,具有优异的机械性能和电化学性能,既可以作为电极材料,也可同时作为集流器。因此,我们用PEG 600-PPy薄膜直接组装制备了自支撑柔性超级电容器,该器件可达到561 F/cm~3的体积比电容,并且循环稳定性很好,寿命长。器件整体的厚度只有100μm,具有超薄的特性,而且具有一定的柔性和强度,在折叠弯曲等变形下,比电容值保持不变。这种用高性能导电聚吡咯直接组装所得的柔性超级电容器,可以作为超薄柔性电子器件的储能设备。(4)利用热释电纳米发电机进行能量收集,是一种新兴的收集环境废热的有效方式。快速的温度变化是热释电纳米发电机工作的关键,但现在大多数都需要额外的机械或者电动设备来获得快速变化的温度场。我们设计并制备了一种水汽驱动的自维持的热释电纳米发电机,利用水蒸汽冷凝放热和蒸发吸热导致具有热释电性能的聚偏氟乙烯材料的温度快速波动,不需要任何耗能设备即可获得快速的温度变化。该热释电纳米发电机可以有效地收集环境中的废热,获得高达145伏的输出电压,并可以持续驱动低功耗的电子器件,如电子表,并可以点亮发光二极管等。这一类能够从环境中收集能量的柔性发电机有望作为柔性供能器件获得应用,也为收集环境中废热,比如工厂或者我们日常生活中排出的废热气,提供了一种新的有效方式。
【学位授予单位】：中国科学技术大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TQ317;TM53;TM31

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