一种基于高压静电纺丝工艺制备的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器及其在睡眠监测中的应用

针对日常睡眠监测的需求,提出一种基于高压静电纺丝工艺制备的P(VDF-TrFE)/锆钛酸铅(PZT)压电传感器并对其性能进行了研究。首先,介绍了P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器的制作及封装流程。其次对其灵敏度,频率响应特性,瞬时响应和稳定性等进行了测试。结果表明,该传感器不仅具有良好的微观外貌形态,且相比于纯P(VDF-TrFE)压电传感器0.73 V/N的灵敏度,制备的含30%PZT的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器灵敏度是纯P(VDF-TrFE)压电传感器的2.5倍,达到了1.78 V/N。此外在低频下能够保持稳定压电输出且具备2 ms较快的响应时间。最后采用自制的P(VDF-TrFE)/PZT压电传感器测量人体心冲击信号,并通过支持向量机(SVM)训练睡眠分期模型实现了对睡眠质量的监测,四分类模型平均准确率达到72.5%,为可穿戴睡眠监测传感器的选择提供了参考。

基于PVDF柔性传感器的不同介质中冲击波波源测量与频谱分析

目的明确体外冲击波系统冲击头在不同介质界面产生的冲击波波源特征。方法采用冲击气压可调的体外冲击波产生与信号采集实验系统,结合聚偏二氟乙烯(PVDF)柔性传感器,通过实验测量方法研究冲击头在不同介质(仿体组织、水和空气)界面产生的冲击波形,分析波源的时域特征和频谱特性。结果在相同气压冲击下,冲击头在仿体界面和水界面产生的冲击波波形相似,二者与空气界面产生的冲击波波形存在较大差异,空气界面的正负压绝对值明显减小;不同介质中产生的冲击波频谱特性相似,都存在3个明显的峰值频率,仿体、水和空气中调制频率分别为12.2、8.5、7.2 kHz,载波频率基本无变化(82~83 kHz)。不同气压冲击下,冲击头在同一介质界面产生的冲击脉冲波波形差异不大,冲击气压仅影响冲击波幅度,不影响峰值频率。随着冲击气压的增大,介质界面正负压绝对值增大,变化基本呈线性。结论PVDF柔性传感器可以有效测量冲击波波源,不同介质界面产生的冲击波在时域和频域都存在一定差异,不能简单以空气或水中的冲击波传播特性代替生物组织中的传播特性。研究结果可以为冲击波设备的评估和临床冲击波治疗方案的制定提供重要信息。

UiO-66/PVDF杂化纤维膜的制备及性能研究

为了制备具有优异光催化性能的复合材料,采用溶剂热法成功合成了金属有机骨架材料UiO-66,通过静电纺丝技术成功制备出UiO-66/PVDF杂化纤维膜。试验结果表明:纯PVDF纤维膜纤维表面光滑,单根纤维粗细均匀。掺杂UiO-66材料后,纤维表面变得粗糙。掺杂UiO-66的PVDF改性纤维膜亲水性能和对盐酸四环素的降解能力显著改善,当UiO-66掺杂量为PVDF的1.0%时对盐酸四环素溶液的降解率最优,达到98.2%;对于诺氟沙星、环丙沙星、磺胺甲恶唑的降解率均能达到95.0%。光照条件下5次循环试验降解率仅比第1次略微降低。

PVDF/TiO_(2)@MoS_(2)纤维复合膜的制备及光催化性能

含大量有机染料的废水对环境的污染日益严重,光催化分离膜的研究备受关注。本研究先通过静电纺丝法制备了PVDF/PEMA膜,后进行酸处理制备出富羧基PVDF纤维复合膜,最后通过水热反应在膜表面原位沉积TiO_(2)@MoS_(2)微纳米颗粒,制备出在太阳光下具有较高催化活性的PVDF/TiO_(2)@MoS_(2)纤维复合膜。结果表明MoS_(2)的加入可以有效降低纤维复合膜禁带带隙能量,从而提高纤维复合膜的光催化活性;在光照4 h后对RhB的降解率达到97.1%;连续5次吸附-降解实验,纤维复合膜对RhB的降解率仍达到95%以上,表明该纤维复合膜具有优异的可重复使用性。因此,该膜在染料降解方面具有潜在的应用前景。

康复机器人PVDF柔性关节设计与驱动特性研究

针对康复机器人本体柔顺性差的问题,提出了一种新型的聚偏氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride,PVDF)凝胶基人工肌肉,将其作为康复机器人柔性关节致动器,期望实现类人动作。介绍了PVDF凝胶制备和电致变形机制,并由此设计了具备收缩和伸张功能的单体肌肉,进而将多个单体肌肉上下串联,组合构成层级人工肌肉;基于康复机器人柔性关节3层级人工肌肉,辨识其驱动数学模型,并进行了仿真与实验。结果表明,该人工肌肉能够有效地实现位置控制,具备电致收缩和扩张能力,作为致动器应用于柔性关节是可行的。

拉伸速率与拉伸温度对PVDF-HFP薄膜压电性能的影响

拉伸是提高PVDF-HFP薄膜压电性能最有效的方法之一。采用溶液浇铸法制备PVDFHFP压电薄膜,以拉伸速率和拉伸温度为变量,研究了薄膜拉伸前后形貌变化及晶体结构变化。结果表明,沿拉伸方向的应力可以迫使基体内部结构由球晶转变为纤维状晶体,从而促使非极性α相转变成极性β相,在拉伸伸长率为5、拉伸温度为60℃和拉伸速率为10mm/min时,薄膜的β相相对含量超过90%。在最大极化电场E_(max)=60 MV/m作用下,其标准开环电压达到1.50 V;在此拉伸工艺下,将最大极化电场提升到100 MV/m,薄膜的标准开环电压达到2.24 V,提高最大极化电场使基体内部固有偶极矩取向更充分,压电性能更优异。

KNbO_(3)/PVDF/棉织物压电传感器的制备及其性能

为克服无机压电传感器柔性差和有机压电材料传感性能差的缺陷,将无机压电体KNbO_(3)和有机柔性压电体聚偏氟乙烯(PVDF)复合,以舒适性良好的棉织物为基体制备出KNbO_(3)/PVDF/棉织物压电型压力传感器。通过X射线衍射仪、扫描电子显微镜、傅里叶变换红外光谱仪、X射线电子能谱仪对所制备材料的微观形貌和结构进行表征,研究了KNbO_(3)/PVDF/棉织物材料组分变化对压力传感性能的影响。结果表明:正交相KNbO_(3)颗粒均匀分布在PVDF中,并与棉织物基底形成稳定结合;当KNbO_(3)/PVDF/棉织物材料中KNbO_(3)质量分数为5%时具有最优的压电性能,峰值电压为3.46 V,是PVDF/棉织物的3.2倍。研究结果为织物基有机-无机复合压电传感材料的开发提供了研究思路,有助于推动柔性智能纺织材料的实际应用。

基于PVDF薄膜柔性传感器脉搏信号检测试验研究

为了检测人体机能信号,采用PVDF薄膜柔性压电传感器,在脉搏振动时检测压力变化。将传感器与手腕处脉搏跳动较强部位贴合,进行脉搏信号检测。利用USB-6008数据采集卡将经过信号放大处理后的脉搏波信号传输给Lab VIEW平台,得到脉搏信号的完整波形。再利用MATLAB平台中小波变换原理对采集到的信号进行降噪,以便得到更加清晰完整的脉搏信号。仿真结果表明,柔性压电传感器产生的最大位移是9×10-6m,产生的最大电势是1.5V;实验结果表明,脉搏信号产生最大电压是0.75V。

PVDF纳米纤维膜对工业除尘滤料的性能强化

为了利用聚偏氟乙烯(PVDF)纤维膜的细直径和热/压电性提升过滤效率,用静电纺丝方法制备了PVDF纤维膜,通过SEM和XRD表征了PVDF纤维膜形貌和β晶相转化,并将PVDF纤维膜附着在PPS滤料上制备成PPS/PVDF复合滤料,对其过滤效率及压差特性进行了评估.结果表明:PVDF纤维膜无串珠结构,纤维直径分布在270~780 nm,中值427.3 nm,晶型结构以β晶相为主.随着风速升高,PPS/PVDF纤维膜复合滤料过滤效率下降更小,证明PVDF纤维膜的压电效应对微细粒子过滤效率有改善作用.随着温度的提高,PVDF纤维膜呈现热电性,复合滤料的过滤效率上升,当温度升高到70℃,其对小粒径0.3μm粒子过滤效率提升幅度最大为28.37%.

B位空位补偿型钐掺杂PZT(54/46)陶瓷中的缺陷分析及其对压电性能的影响

-用固相反应法制备了B位空位补偿型钐掺杂非准同型相界组分PZT(54/46)陶瓷.通过正电子湮没寿命谱(PALS)和符合多普勒展宽能谱(CDBS)对陶瓷中的缺陷结构进行综合表征,结合常规表征手段如X射线衍射(XRD),电子扫描显微镜(SEM),介电、铁电和压电性能测量,研究缺陷对陶瓷压电性能的影响.XRD结果显示所有陶瓷均为纯钙钛矿相,掺杂诱导了菱方-四方(R-T)相变,准同型相界位于Sm掺杂量x=0.010.02.电学测量结果反映:介电、铁电和压电性能均先增强后减弱,MPB附近两个样品都有优异的介电和铁电性能,但其压电性能差别很大.x=0.01给出最优压电性能d_(33)=572 p C/N,较未掺杂样品增强了一倍.PALS结果表明掺杂使陶瓷中缺陷类型发生变化,x≤0.01,样品中同时含有A位空位与B位空位;x≥0.02,样品中以A位相关缺陷为主,B位空位浓度很低.CDBS结果进一步证实x=0.01和0.02中B位空位浓度分别是该体系中最高和最低的.由以上结果推断出:x=0.01获得的最优压电性能与其中较高浓度的B位空位有关,B位空位可稀释A位空位浓度,降低氧空位浓度,从而降低A位空位与氧空位形成缺陷偶极子的几率,促进畴壁运动,使压电性能增强.

TA对基于DA/PEI的PVDF复合疏松纳滤膜的结构与性能影响的研究

为了对染料废水中染料和盐进行有效地分离与回收,以聚偏氟乙烯(PVDF)超滤膜为基膜,以多巴胺(DA)、单宁酸(TA)及聚乙烯亚胺(PEI)为共沉积物,以均苯三甲酰氯(TMC)为有机相,采用界面聚合法制备了PVDF复合疏松纳滤膜,探讨了DA与TA及PEI与TA的质量浓度比对PVDF复合疏松纳滤膜结构与性能及处理模拟RB5染料废水效果的影响。结果表明,当ρ(DA)/ρ(TA)与ρ(PEI)/ρ(TA)分别为2/8和4/6时,膜性能最佳,此时纯水通量较不添加TA时分别提高36%和114%;模拟RB5染料废水通量较不添加TA时分别提高37%和87%;染料截留率分别为95.5%、95.4%,盐(NaCl)的截留率分别为3.95%、3.15%。PVDF复合疏松纳滤膜在处理模拟RB5染料废水中运行稳定性良好。

高于居里温度极化的硬性PZT压电陶瓷的制备及叠层驱动器性能研究

压电叠层驱动器具有低驱动电压、大位移的特点,被广泛应用于诸多领域。作为目前压电叠层驱动器中最常使用的材料,软性锆钛酸铅(PZT)陶瓷较大的介电常数和损耗往往会导致较高的功耗和发热量,进而影响驱动器的疲劳特性和稳定性。为了制备出低发热量、适用于压电叠层驱动器的压电陶瓷,本工作选取Mn掺杂(摩尔分数)的Pb(Sb_(1/2)Nb_(1/2))_(0.02)Zr_(0.51)Ti_(0.47)O_(3)-0.6%MnCO_(3)(PSN-PZT)硬性压电陶瓷作为基体材料,通过掺入一定含量的Li_(2)CO_(3)烧结助剂来降低陶瓷的烧结温度,并采用高于居里温度极化工艺进一步提升陶瓷的电学性能。最后采用该材料,利用流延工艺制备出压电叠层驱动器,并与相同工艺制备的Pb(Mg_(1/3)Nb_(2/3))_(0.25)(Ti_(0.48)Zr_(0.52))_(0.75)O_(3)(PMN-PZT)驱动器进行比较。结果显示,Li_(2)CO_(3)通过引入液相烧结的方式将PSN-PZT陶瓷烧结温度降低至1050℃。当Li_(2)CO_(3)含量为0.1%(质量分数)时,高于居里温度极化的PSN-PZT陶瓷电学性能最优,其压电系数(d33)和2 kV/mm电场下的单极应变分别为388 pC/N和0.13%。在200 Hz下,PSN-PZT驱动器温升比PMN-PZT驱动器低大约20℃,且经过5×10^(6)次循环后应变仅降低6%。这表明Li_(2)CO_(3)低温烧结的PSN-PZT陶瓷不仅具备不错的压电性能,而且在发热和疲劳特性方面有较大优势,在大功率、高频等苛刻工况中有潜在的应用前景。

PVDF/BaTiO_(3)纳米纤维膜制备可穿戴传感器用于运动监测

以N,N-二甲基甲酰胺(DMF)和丙酮为溶剂,制备聚偏氟乙烯(PVDF)溶液,并研究不同溶液对静电纺丝行为和纳米纤维结构的影响。采用静电纺丝技术,利用具有铁电性能的钛酸钡纳米颗粒(BaTiO_(3)NPs)作为无机填料,制备了PVDF/BTO纳米复合纤维膜,以提高PVDF的压电性能。通过调整掺杂比例,发现当BTO掺杂比例为15%时,制备的PVDF/BTO复合纤维薄膜具有良好的压电输出性能。最后,以PVDF/BTO复合纤维薄膜为核心材料,使用铜作为电极,并采用PDMS进行封装,制备了能够识别不同人体运动的压电传感装置,可作为穿戴式传感器对人体运动进行实时监测。

双凝固浴条件下TiO_(2)/PVDF-g-PEGMA/PVDF膜的制备及性能

将TiO_(2)和两亲聚合物PVDF-g-PEGMA一起加入铸膜液中,以乙醇溶液为第1凝固浴,利用其较高的成孔能力使改性膜表面生成大量孔洞,之后将改性膜放入第2凝固浴中,利用NaCl溶液对膜孔生长的抑制作用,制备孔隙率高、孔洞较小的亲水性TiO_(2)/PVDF-g-PEGMA/PVDF超滤膜。试验结果表明,第1凝固浴乙醇溶液质量分数为20%时,随着第2凝固浴NaCl溶液浓度的升高,α晶相的生长受到抑制,β晶相数量占比增大,表面粗糙度出现下降,改性膜的抗污染性能增强。试验中,m^(2)凝固浴条件(20%乙醇溶液,20 g/L NaCl溶液)下制备的改性膜性能最好,孔隙率达到1.94%,海藻酸钠截留试验中膜通量和截留率分别为288 L/(m^(2)·h)和68.08%;跨膜压力为10 psi(0.07 MPa)时的纯水通量和通量恢复率分别为1862 L/(m^(2)·h)和76.25%,较M0(仅20%乙醇溶液)均有所提高,trade-off效应得以缓解,牛血清蛋白吸附量下降到961.56μg/cm^(2),抗污染性能升高。

AlB_(2)@PVDF壳核结构制备及其在点火药中的应用

为改善含硼(B)含能体系的能量释放,采用NaOH水溶液对原料AlB_(2)进行刻蚀,并采用PVDF对刻蚀AlB_(2)进行包覆,得到了AlB_(2)@PVDF壳核结构材料,并对其形貌和热行为进行了表征和测试;以KNO_(3)为氧化剂,分别以单质B、原料AlB_(2)、AlB_(2)@PVDF为可燃剂,制备了3种配方的点火药,并对其燃烧性能进行了对比研究。结果表明:刻蚀后AlB2的XRD谱图出现B基特征衍射峰;AlB_(2)@PVDF材料中PVDF以丝状和团状形态附着和悬挂在刻蚀AlB2的表面和沟壑内部;AlB_(2)@PVDF的实测燃烧热值为25.5 kJ·g^(-1),相比单质B提高了56.4%;与基于单质B的点火药相比,基于AlB_(2)@PVDF的点火药的燃烧火焰更稳定且燃烧更剧烈,其燃烧时间缩短了28.1%,平均燃烧温度提升了31.2%,最高燃烧温度提高了172.49℃。

聚多巴胺涂覆LDH/PVDF改性膜的制备及性能测试

聚偏氟乙烯(PVDF)具有特殊的疏水性,在分离废水的过程中,污染物覆盖膜表面并堵塞膜孔会导致膜的渗透性能下降。使用浸没沉淀相转化法,通过调整水滑石(LDH)添加剂的配比和改性膜浸泡在含有盐酸多巴胺缓冲溶液中的时间,制备了LDH/PVDF改性膜及聚多巴胺(PDA)涂覆LDH/PVDF改性膜。测试了改性膜孔隙率、平均孔径、水通量、截留率、接触角、抗污染性等性能的变化。结果表明:当LDH添加量为3%时,孔隙率最大,比纯膜提升15.35%,平均孔径增加8.48 nm;膜通量最大为943.22 L·m^(-2)·h^(-1),比纯膜增加了382.95 L·m^(-2)·h^(-1),膜孔中污染物沉积减少,可逆污染占比升高,抗污染能力最强,清洗后通量恢复率为81.5%,相比纯膜M0提升了34.2%。

用于ZGV Lamb波检测的PVDF梳状换能器及性能研究

能够准确激励与响应零群速度(ZGV)Lamb波的换能器是ZGV Lamb波检测应用的重要支撑。现有用于ZGV Lamb波检测的换能器存在信号弱、信噪比低等问题,为此,本文设计了一种柔性好、灵敏度高的聚偏二氟乙烯(PVDF)梳状换能器,并研究了换能器对ZGV Lamb波的激发响应性能。首先,分析了梳状换能器的工作特性,根据薄铝板的ZGV模式设计制作了PVDF梳状换能器;其次,在不同中心频率的脉冲信号下通过PVDF梳状换能器激发ZGV Lamb波,并与PVDF方形电极换能器做了性能对比实验;最后,分析了PVDF梳状换能器电压响应特性与附着层厚度之间的关系。实验结果表明,设计制作的PVDF梳状换能器能够精准的激励与响应ZGV Lamb波,其响应信号的ZGV频域幅值相对大小随着附着层厚度的增加显著减小。

微波辅助Al@PVDF⁃OH复合燃料的制备及其燃烧性能

聚偏氟乙烯(PVDF)等氟聚物可有效抑制铝粉的团聚并提高铝粉的反应活性。但氟聚物与被氧化铝覆盖的Al颗粒表面之间亲和性较差,氟聚物直接包覆在Al表面对团聚的抑制效果并不理想。为增强氟聚物与铝粉间的相互作用,改善铝粉燃烧性能,研究采用微波辅助反应的方法得到了羟基化改性的PVDF-OH,利用溶剂/非溶剂法将PVDF-OH包覆在铝粉表面得到了Al@PVDF-OH复合燃料,并进一步制备了复合固体推进剂。采用红外光谱、X射线衍射仪对PVDF-OH的分子结构与元素组成进行了研究;采用扫描电子显微镜、差示扫描量热仪、高速摄像机和氧弹量热仪等设备对Al@PVDF-OH复合燃料的微观结构组成及其燃烧性能进行了研究。结果表明,微波辅助制备得到的PVDF-OH有着较高的羟基含量,微波功率240 W下处理1 min时制备得到的PVDF-OH最佳。Al@PVDF-OH复合燃料的燃烧性能优于包覆PVDF的Al@PVDF复合燃料与加热改性处理PVDF-OH(H)的Al@PVDF-OH(H)复合燃料,在PVDF-OH含量为15%时最佳。与纯Al相比,PVDF-OH含量为15%的Al@PVDF-OH复合燃料的燃烧热值由19140 kJ·kg^(-1)增加到24912 kJ·kg^(-1);与AP混合后的燃烧测试结果表明,Al@PVDF-OH复合燃料燃烧性能相较于Al有明显改善,点火延迟时间由77 ms缩短至70 ms,燃速由195.7 mm·s^(-1)提高到225.7 mm·s^(-1)。基于Al@PVDF-OH复合燃料的固体推进剂与铝基固体推进剂相比,其燃烧热值由13281 kJ·kg^(-1)增加到14020 kJ·kg^(-1);燃速由1.281 mm·s^(-1)提高到1.915 mm·s^(-1),凝聚相燃烧产物D90由74.324μm降至52.749μm。

基于PVDF梳状换能器的零群速度Lamb波层合板损伤检测的数值研究

为提高层合板损伤检测的准确性与灵敏度,基于聚偏二氟乙烯(polyvinylidene fluoride,PVDF)梳状换能器激发的零群速度(zero group velocity,ZGV)Lamb波,提出了一种层合板损伤的检测方法。采用二维时域有限元方法,研究了PVDF梳状换能器对零群速度Lamb波的激励,通过改变层合板中铝层杨氏模量来表征不同的损伤程度,分析了PVDF梳状换能器电压响应特性与层合板损伤程度之间的关系。结果表明:采用PVDF梳状换能器能够有效激励零群速度Lamb波,并获得层合板内部的状态信息。随着损伤程度的增加,PVDF梳状换能器响应的零群速度共振峰频域幅值随着铝层杨氏模量的减小而显著减少,进而灵敏地评价层合板损伤变化。研究结果说明优化设计的PVDF梳状换能器在零群速度Lamb波的激发与接收性能上都具有优越性,能够有效检测层合板损伤情况。

基于混合胺的PVDF复合疏松纳滤膜及其在染料废水处理中的应用

为了对染料废水中的染料和盐进行有效的分离、促进染料的回收利用,文章探讨了在共沉积与界面聚合组合法制备PVDF复合疏松纳滤膜过程中,GAZ/PEI对PVDF复合疏松纳滤膜选择层的微观结构、表面粗糙度、过滤性能及其在模拟活性黑5(RB5)染料废水处理中的应用等情况的影响。研究结果表明随着GAZ/PEI的增加,PVDF复合疏松纳滤膜表面结节减小,选择层厚度降低,表面粗糙度减小,纯水通量增大,PEG800截留率降低,染料废水通量增大,GAZ/PEI为9/91时,膜性能最佳,此时纯水通量和染料溶液通量较单一胺分别提高了91.6%和109.1%,RB5和NaCl的截留率分别为94.3%和2.1%,在运行时间内,基于混合胺的PVDF复合疏松纳滤膜体现了较好的运行稳定性。