折叠结构的PVDF/BTO复合薄膜压电纳米发电机的制备及性能研究

为提高聚偏氟乙烯(PVDF)的压电输出性能,将钛酸钡(BTO)纳米颗粒引入到PVDF溶液中,使用流延法制备PVDF/BTO复合压电薄膜,采用高温拉伸与电极化工艺处理复合薄膜。使用扫描电子显微镜、X射线衍射仪、傅里叶变换红外光谱仪、差示扫描量热仪和准静态压电常数测试仪对复合薄膜的形貌和压电性能进行表征,探究BTO含量对PVDF/BTO复合薄膜的影响,研究BTO诱导PVDF链条偶极子重新排列形成β晶型的机理。结果表明,当BTO含量为10%(质量分数)时,PVDF/BTO复合薄膜的晶体结构中β晶型的含量最多,压电性能最强。最后设计了不同层数的折叠结构并组装制成压电纳米发电机(PENG),发现折叠层数越多,PENG的最大输出电压越高。

静电纺钛酸钡纳米纤维压电纳米发电机的研究进展

压电纳米发电机作为满足可穿戴电子设备绿色和可持续能源需求的关键技术,已经吸引了广泛的研究兴趣。专注于静电纺钛酸钡(BaTiO3)纳米纤维在这一领域的应用研究。首先介绍了静电纺BaTiO3纳米纤维的制备流程以及纤维的结构特征。接着,讨论了BaTiO3纳米纤维压电纳米发电机的应用研究,展示了这些材料在能量转换和收集方面的巨大潜力。特别地,还探讨了如何通过不同的技术手段,如纳米纤维的定向排列和导电材料的添加,来优化这些发电机的性能。这些研究不仅提供了有关BaTiO_(3)纳米纤维制备的深入见解,还阐明了其在未来可穿戴设备和能量收集应用中的重要作用,展现出在智能材料和可持续能源技术领域的广泛应用前景。

二氧化锰纳米棒掺杂纤维素复合膜用于压电纳米发电机

纤维素是地球上最丰富的天然高分子资源。具有可再生、成本低和生物相容性好等优点,同时纤维素的高结晶性和丰富的极性羟基使其具有大量偶极子和较强的给电子能力,具有良好的压电效应,可作为绿色电子产品的原料。本文采用水热法制备了纯度高、粒径小和分散性好的二氧化锰纳米棒(MnO_(2)),并将其掺杂到Ⅰ型纤维素中制成MnO_(2)/纤维素复合膜,考察不同质量分数的MnO_(2)对复合膜压电纳米发电机电流输出性能的影响。随着MnO_(2)的增加,输出电流呈现先增大后减小的趋势。MnO_(2)掺杂质量分数为30%时,复合膜最大热失重速率温度为325℃,比纯纤维素提高了44℃。复合膜与纯纤维素和MnO_(2)的O1s结合能值均不同,证明纤维素与MnO_(2)之间存在化学键合作用。使用MnO_(2)/纤维素复合膜制成了可达微安级电流的压电纳米发电机,其最大输出电流为80.75μA,输出电压为1.10 V。在手指的按压下,此压电纳米发电机能够驱动LED灯、计算器和电子手表等多种电子产品。此新型绿色环保压电纳米发电机的研究是以纤维素为基质,同时MnO_(2)的掺杂还提高了能量收集效率,为推动纳米发电机技术的发展提供了新思路。

毛刷状ZnO@PVDF复合纳米纤维柔性压电纳米发电机

采用静电纺丝技术并通过两步低温水热法制备了“毛刷”状的氧化锌(ZnO)@聚偏二氟乙烯(PVDF)复合纳米纤维膜。结果表明,氧化锌纳米棒(ZnO NRs)均匀地径向生长在PVDF纳米纤维的表面,FTIR分析发现ZnO@PVDF复合纳米纤维膜β相含量相比PVDF纳米纤维膜从72.3%提升到85.6%,增加了18.4%。ZnO@PVDF复合压电纳米发电机(PENG)输出电压可达4.9 V,短路电流为293 nA。在外部负载电阻达到13 MΩ时,ZnO@PVDF复合PENG达到最大输出功率0.93μW。ZnO@PVDF复合PENG可以为电容器充电,电容放电时成功点亮LED小灯泡。此外,在5000次的循环敲击测试中,ZnO@PVDF复合PENG具有稳定的输出电压,有望作为无源设备的自供电电源得到广泛应用。

基于ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜的压电纳米发电机

采用简单的一步水热法合成了自支撑的氧化锌纳米棒(ZnO NRs)@还原氧化石墨烯(rGO)复合材料,通过旋涂法制备ZnO@rGO/聚偏二氟乙烯(PVDF)柔性复合薄膜压电纳米发电机。研究结果表明,ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机的输出性能随ZnO@rGO掺杂质量先增大后减小,当ZnO@rGO的质量分数为3.0%时,输出电压可达9.06 V,输出电流可达0.74μA,与仅掺杂3.0%ZnO NRs的ZnO/PVDF纳米发电机相比,其输出电压和电流分别提高了120%和124%。当负载电阻为10 MΩ时,ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机输出功率最大为5.79μW。经过4000次循环测试表明,该文所制备ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机的输出性能稳定。该纳米发电机可以监测人体行走和跑步姿势,记录运动次数。有望作为自供电压力传感器件植入可穿戴电子设备中。

碳纳米管导电通路对压电纳米发电机性能的影响

为获得高性能压电纳米发电机,提出了在纳米纤维基压电纳米发电机中构筑导电通路的策略,以提高其电荷传输能力。首先,通过静电纺丝技术和煅烧工艺制备钛酸钡(BaTiO_(3))纳米纤维,并研究纺丝条件和煅烧工艺对其形貌和结构的影响;其次,通过物理浸泡的方式掺杂不同浓度的多壁碳纳米管(MWCNT),与聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合获得柔性压电纳米发电机,探讨MWCNT的含量对压电纳米发电机输出性能的影响。结果表明:纺丝液质量分数为42%、挤出速率为1 mL/h、煅烧温度为1000℃、升温速率为2℃/min时,获得形貌结构和结晶性良好的BaTiO_(3)纳米纤维膜;MWCNT质量分数为3%时,压电纳米发电机的综合性能最佳,开路电压和短路电流分别高达23 V和2.6μA,较纯BaTiO_(3)基压电纳米发电机性能提高4倍。本研究为设计和制备高性能压电纳米发电机提供了新的思路。

鱼明胶/BTO柔性复合薄膜的压电纳米发电机

基于压电陶瓷和压电聚合物组装的柔性压电纳米发电机(PNG),由于其较差的生物相容性和生物降解性,限制了其在可穿戴设备和植入设备等领域的应用。通过水基分散法制备了鱼明胶/钛酸钡(BTO)柔性复合薄膜PNG,其兼具良好的生物相容性和高压电输出特性。研究结果表明,当BTO掺杂质量分数为50%时,鱼明胶/BTO柔性复合薄膜PNG的输出性能最优,输出开路电压可达约7.2 V,短路电流约为275 nA,比纯鱼明胶柔性薄膜PNG分别约提高了3.8倍和3.4倍,输出功率可达2.2μW,并且鱼明胶/BTO柔性复合薄膜PNG经过2000次循环敲击测试后,输出开路电压没有明显下降,柔性复合薄膜PNG的输出性能稳定。同时,将鱼明胶/BTO柔性复合薄膜PNG贴合到手指关节处,可以对不同手指弯曲进行实时监测,表明该鱼明胶/BTO柔性复合薄膜PNG具有良好的柔性和生物相容性,有望在可植入和可穿戴电子设备中得到广泛应用。

碳化葡萄糖对钛酸钡复合压电纳米发电机的影响和性能研究

针对压电纳米发电机低电压和低功率问题,提出利用葡萄糖碳化对钛酸钡进行改性,以增强其压电性能。将葡萄糖包覆在钛酸钡表面后进行碳化,在钛酸钡表面形成碳壳,与P(VDF-TrFE)复合后利用流延法制得复合膜,经干燥、喷金、封装、极化等步骤制得BT@C/P(VDF-TrFE)柔性复合压电纳米发电机。对制得的BT@C/P(VDF-TrFE)复合膜进行微观形貌和元素分布测试;分析不同浓度葡萄糖和不同粉体含量的BT@C/P(VDF-TrFE)柔性压电纳米发电机输出性能差异,并对最佳组分制备的柔性压电纳米发电机进行负载、输出稳定性等测试。结果表明,当葡萄糖浓度为0.8M,粉体含量为15%时,BT@C/P(VDF-TrFE)柔性压电纳米发电机性能最佳,在振幅为5mm时,输出电压达到60.1V,电流达到0.85μA,最大输出功率为9.26μW,同时材料具有一定的输出稳定性。

基于摩擦和压电复合机制的接触-分离式纳米发电机

介绍了一种基于摩擦和压电复合机制的接触-分离式纳米发电机的制备方法,利用倒模工艺形成带有铜网微结构的硅胶膜,与铝电极形成顶端摩擦层结构;利用聚偏氟乙烯(PVDF)膜和铝电极形成底端压电层结构,其中中间铝电极为共享电极,使摩擦单元和压电单元协同工作。研究结果表明,摩擦单元和压电单元在接触-分离的周期过程中产生的电信号不同步,需要分别对它们进行整流后混合输出。摩擦单元整流后的电压峰值约为100 V,压电单元整流后的电压峰值约为50 V,整流后混合输出的电能能够点亮50盏LED灯,存储在电容中能够为电子表正常工作持续供电,因此,复合纳米发电机可以作为振动能量采集器被广泛应用。

一体式柔性可拉伸拱形摩擦-压电复合纳米发电机

针对目前可穿戴单兵能源装备对能源采集器件柔性可拉伸能力的迫切需求,提出了一种基于摩擦-压电协同换能机理的一体式柔性可拉伸拱形纳米发电机设计方案。利用混炼工艺将钛酸钡(BaTiO3)、聚四氟乙烯(PTFE)和镀银玻璃微珠分别混入到高温硫化硅橡胶中,分别制备出压电层、摩擦层和电极层,使器件实现了全柔性和可拉伸性能。器件采用拱形结构,可以响应拉伸和拍打两种常见的激励模式,有助于高效采集具有多自由度特点的人体运动能量。实验结果表明,拉伸模式下,器件主要依靠压电层产生电能输出,而在拍打模式下,器件则主要依靠摩擦层产生电能输出,复合输出性能得到明显提升,展现出其在可穿戴单兵能源装备领域广阔的应用前景。

PVDF@AgNWs复合压电发电机的制备与性能研究

采用静电纺丝法和退火后处理工艺制备高β相含量的聚偏氟乙烯(PVDF)纤维膜,并通过复合银纳米线(AgNWs)形成导电网络来获得高性能PVDF@AgNWs压电发电机。研究了制备工艺(静电纺丝、退火)及AgNWs添加量对器件压电输出性能的影响,结果表明,电纺PVDF纤维膜经退火并控制AgNWs质量分数0.10%条件下,PVDF@AgNWs压电发电机在5 MPa压力下,可输出约114 V压电电压及约1.3×10-7 A电流。该压电发电机具有良好的能量采集性能,可直接为电容器充电,并可驱动LCD显示模组,在自供电柔性可穿戴电子领域具有应用潜力。

基于PVDF-TrFE薄膜的柔性压电纳米发电机

实验制备的柔性压电纳米发电机用旋涂得到的PVDF-Tr FE薄膜作为有源层来实现机电转换。纳米发电机的有源层PVDF-Tr FE薄膜在外加电场和温度场下被极化。在极化过程中,PVDF-Tr FE薄膜的部分顺电相(α相)转变成铁电相或压电相(β相)。纳米发电机上下电极间的电压分布经过Comsol Multiphysics的数值分析,发现其垂直于PVDF-Tr FE薄膜方向。纳米发电机产生的峰值开路输出电压值VOC为7 V,短路输出电流密度ISC/AE为0.53μA/cm2。实验发现纳米发电机的短路输出电流ISC与有效工作面积间AE近似有线性关系,而物理模型计算得到的ISC也揭示了ISC和AE两者间的线性关系,实验结果验证了物理模型计算结果的准确性。因此,增加纳米发电机的有效工作面积AE可以增强其短路输出电流和输出功率。

基于压电纳米发电机的柔性传感与能量存储器件

柔性电子与柔性传感器件未来将广泛应用在物联网、可穿戴、可植入系统中,例如人体健康监控、触觉感知人造感官以及智能机器人电子皮肤等.柔性压电纳米发电机的能量转换特性,使其不仅可以作为供能器件,而且可以作为传感器件提供传感信号,可以解决柔性电子与自驱动技术中存在供能与性能的限制.纳米发电机利用调控界面与表面的极化电场可以获得高性能传感与能量存储,提供自驱动特性,同时具有与目前电子技术相媲美的高性能.本文综述了柔性压电纳米发电机在柔性传感与能量存储领域的最新研究进展.

柔性压电纳米发电机研究进展

压电纳米发电机是一种利用压电效应将机械能转换为电能的器件。在外界机械作用下，压电材料产生的极化电荷和随时间变化的电场可驱动电子在外电路发生流动，进而产生电能。近年来，柔性电子器件在可穿戴、可植入电子器件等方面得到了广泛应用。

压电式纳米发电机及其混合器件的研究进展

随着化石能源的过度使用和开采,随之而来的能源和环境问题也日益尖锐,而人们对能源的需求不减反增,因此寻求一种新型的绿色可持续能源是非常必要的。环境中的能量十分丰富,因此从环境中收集能量进行转化是十分有前景的方法。压电材料在受到外界作用发生机械变形时,能实现机械能向电能的转化,因此,压电式纳米发电机作为一种潜在的可持续、绿色能源,近年来受到广泛关注。从压电材料的分类入手,结合其制备方法、结构和性能等,对近年来一些研究成果进行了概述,详细评价了不同制备方法、结构对压电式纳米发电机压电性能的影响,并对今后发展进行了展望。

基于双拱形结构的压电-摩擦复合纳米发电机

提出了一种基于双拱形结构的压电-摩擦复合纳米发电机的制备方法,利用锆钛酸铅（PZT）颗粒/碳纳米管（CNT）/聚二甲基硅氧烷（PDMS）形成的混合压电薄膜与铝电极作为压电层;利用倒模工艺形成带有均匀梯形体微结构的PDMS薄膜,与铝电极形成摩擦层,其中,中间铝电极为共享电极。同时,通过聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）膜实现双拱形结构,使压电层与摩擦层能够协同工作,提高输出电性能。研究结果表明,采用双拱形结构的复合纳米发电机,其压电单元的开路电压和短路电流值分别增加了52.7%和34.1%;摩擦单元的开路电压和短路电流值分别增加了75.2%和43.2%。压电单元和摩擦单元整流后混合输出的电能能够点亮10盏LED灯,存储在电容中能够为液晶显示屏（LCD）的正常工作提供电能。因此,该复合纳米发电机能够作为绿色能源供给器件被广泛应用。

压电纳米发电机材料选用和结构设计研究进展

自2006年压电纳米发电机首次亮相以来,各种压电材料都被应用到这一领域,压电纳米发电机的制备工艺和器件结构不断得到优化。同时,研究者们不断利用新方法来开发新的压电材料,以改善压电纳米发电机的性能。而压电材料性能的制约使研究者开始对器件结构进行构思,从常规的平行板结构到多层结构,再到混合器件,都在进行着不断的探索,并取得丰富成果。本文从压电纳米发电机的结构入手,结合其材料、制备方法、性能、特点等,对近年来相关研究成果进行了概述,评价了不同压电材料和不同结构条件下纳米发电机的输出性能表现,分析了压电纳米发电机今后发展面临的问题和发展前景,以期为研制具有多源能量采集能力的压电纳米发电机提供参考。

异质三明治结构柔性薄膜压电纳米发电机研究

采用旋涂法制备不同质量分数还原氧化石墨烯(rGO)的PVDF/rGO复合薄膜。采用层层堆叠法构建层层组装异质三明治结构(PVDF/rGO-PVDF-PVDF/rGO)的压电纳米发电机(PNG)。系统研究了rGO掺杂、异质结构设计对压电输出性能的影响。研究结果表明,在掺杂rGO质量分数为0.4%时,单层PVDF/rGO复合薄膜压电纳米发电机的开路电压达到1.76 V,短路电流达到0.18μA。层层组装异质类三明治结构PVDF/rGO_(0.4)-PVDF-PVDF/rGO_(0.4)的PNG,开路电压高达7.72 V,是单层PVDF/rGO复合PNG的4.39倍;短路电流可达0.69μA,是单层PVDF/rGO复合PNG的3.83倍,这促进了电荷的转移,提高了电荷利用率。PVDF/rGO_(0.4)-PVDF-PVDF/rGO_(0.4)复合层层异质结构PNG经过4000次循环敲击测试,三层异质复合PNG压电输出稳定,有望在柔性可穿戴电子器件、人机交互及电子皮肤等领域得到广泛应用。

氧化锌压电纳米发电机的频域特性仿真

ZnO压电纳米发电机是一种可在纳米尺度将机械能转换成电能的绿色能源器件,具有敏感度高、响应迅速、制备工艺简单等特点。如何有效提高压电纳米发电机的输出性能是该领域的研究热点。为了确定ZnO压电纳米发电机在构成电路系统时的输出特性,采用有限元仿真软件COMSOL Multiphysics,针对两种不同形貌的ZnO纳米线结构,建立了相应的电路系统。在频域中,分析了振动频率、外接负载阻值、振动加速度、纳米线斜度与形貌五种因素对外接负载输出电压和功率的影响。结果表明:倾斜角为15°的平顶圆柱纳米线模型为最优模型结构,振动频率为400 Hz时,单根纳米线的峰值电压和峰值功率分别达到1.64 V和42.51 nW。

基于无铅钛酸钡/石墨烯/PDMS三相复合压电纳米发电机的研究

本文利用固相法合成了无铅钛酸钡(BaTiO_(3),BTO)纳米颗粒,并将其与不同含量的石墨烯(Graphene Oxide,GO)和聚二甲基硅氧烷(PolyDiMethylSiloxane,PDMS)进行复合制备成薄膜.GO材料作为碳基导电相形成复合材料中的微电容,提高了复合材料的压电性能.对GO含量为0.6 wt%的BaTiO_(3)/Graphene/Polydimethylsiloxane(BTO/GO/PDMS)复合薄膜的电学和铁电性能进行了测试与分析.实验结果表明:所制备的BTO/GO/PDMS复合薄膜的介电常数为185,剩余极化强度高达每平方厘米13.47μC(高于纯相的BaTiO_(3)/Polydimethylsiloxane(BTO/PDMS)复合薄膜).BTO/GO/PDMS基纳米复合薄膜发电机的开路电压是BTO/PDMS基纳米发电机的2.78倍.基于上述研究成果,这种无铅绿色友好型柔性复合材料在振动能量采集和集成铁电器件方面具有广泛的应用前景.