聚偏氟乙烯_碳量子点复合材料高压下晶型变化及压电性能的研究

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1、国内图书分类号：TB324密级：公开国际图书分类号：西南交通大学研究生学位论文聚偏氟乙烯/碳量子点复合材料高压下晶型变化及压电性能的研究年级二〇一五级姓名马松原申请学位级别工程硕士专业材料工程指导老师吕军教授二〇一八年五月ClassifiedIndex:TB324U.D.C:SouthwestJiaotongUniversityMasterDegreeThesisPHASETRANSITIONANDPIEZOELECTRICPROPERTIESOFCARBONQUANTUMDOT/POLY(VINYLIDENEFLUORIDE)HYBRIDCOMPOSITESCRYSTALLIZEDATH

2、IGHPRESSUREGrade:Postgraduate2015Candidate:SongyuanMaAcademicDegreeAppliedfor:MasterDegreeSpeciality:MaterialsEngineeringSupervisor:ProfessorJunLuMay,2018西南交通大学硕士研究生学位论文第I页摘要清洁能源生产是我们今天面临的最严峻的问题之一。由于众所周知的环境限制和最新政府指导方针的要求，对化石燃料的依赖必须削减，因此可再生能源的利用一直被广泛关注。而压电材料具有捕捉不同幅度和频率的机械能的能力，可从周围环境收集能量并将其转变成电能，具有很

3、大的应用前景。常使用的无机压电材料包括SiO2、ZnO、PZT、BaTiO3等，常用的有机聚合物材料有PVDF、PP、PFA和PTFE等。而聚合物基压电复合材料则结合了无机压电材料的高机电耦合系数和有机聚合物的加工灵活性等诸多优点，通过添加一些微米级或纳米级无机物颗粒嵌入到聚合物基体中，可制备出韧性好、压电性能高和使用寿命长的压电纳米复合材料。PVDF具有多种晶型的高分子材料，其压电和铁电性能较好，同时具备韧性高、冲击强度和耐磨性能较好等优异性能。CQDs属于碳纳米材料家族的新秀，其结构为近球状，粒径尺寸小于10nm，具有载流子迁移率高、导电性优良、生物相容性好、光稳定性好和荧光强度高等特

4、点，还表现很强的量子尺寸效应和表面效应，从而在力学测量、电子设备、LED光电器件、医疗和能量收集等领域中具有较大应用潜力。PVDF的压电性能主要与其β晶体的结构与含量有关，而通过纳米粒子诱导、高电场极化、高压结晶等处理方法可得到高β相含量的PVDF。本实验使用高压结晶方法对PVDF进行处理，同时引入CQDs原位诱导PVDF极化晶体亚结构的高压自组装，设计并制备出具有稳定的多色光致发光效应和高机电转换效率的新型免极化压电复合材料体系。本论文利用溶液浇铸成膜法制备PVDF/CQDs复合材料，并将其在不同结晶温度、不同保温时间、不同结晶压力和不同质量分数的实验条件下进行高压处理。结合DSC、WA

5、XD、ATR-FTIR、SEM和LSCM等表征方法，研究PVDF/CQDs复合材料高压结晶行为变化规律，同时制备含不同质量分数CQDs的PVDF/CQDs压电纳米发电机，并对其压电性能以及荧光性能进行研究。主要实验结论如下：（1）PVDF/CQDs复合材料高压结晶行为的研究西南交通大学硕士研究生学位论文第II页利用溶液成膜方法可制备CQDs在聚合物基体中均匀分散的PVDF/CQDs（99/1，wt/wt）杂化复合材料。在400MPa高压条件下，当结晶温度在230℃和245℃时，PVDF/CQDs中主要生成球晶结构。结晶温度增加到260℃，在保温时间为10min条件下，可获得高结晶的样品，其

6、β晶体含量达到最大值，并且CQDs诱导PVDF分子原位自组装而生成大量的三维压电纳米阵列结构。而当保温时间为30-60min范围条件下，复合材料中的β晶体随着保温时间的增加而减少，说明保温时间过长不利于形成高含量β晶体。当结晶压力为300MPa时，复合材料主要生成球晶结构，当结晶压力增大为500MPa时，则其材料生成大量取向的β晶体，并且表面生成少量的一维纳米线结构，说明增加压力有利于样品生成β和γ晶体。（2）PVDF/CQDs复合材料压电性能和荧光性能的研究基于高分子压电聚合物的研究和应用，制备含不同质量分数CQDs的高压结晶PVDF/CQDs复合材料的压电纳米发电机。实验表明PVDF/

7、CQDs（99/1，wt/wt）复合材料中CQDs分散较为均匀，而在CQDs质量分数为2%和3%的样品中，CQDs则有部分少量的、纳米尺度范围内的团聚现象。CQDs的引入原位诱导了PVDF极化晶体亚结构在高压下的的自组装，并且随着CQDs浓度的增加，分别在PVDF/CQDs样品中形成了三维纳米片阵列，一维纳米棒和一维纳米线等压电晶体结构。无需电极化处理，PVDF/CQDs复合系统发电机的最大开路电压输出密度达到19.2V