基于压电纳米纤维的柔性能量收集器件研究

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1、学校代码：10270分类号：0469学号：152200677硕士学位论文基于压电纳米纤维的柔性能量收集器件研究学院：数理学院专业：凝聚态物理研究方向：铁电压电信息功能材料研究生姓名：刘宝指导教师：王飞飞教授完成日期:2018年4月上海师范大学硕士学位论文摘要论文题目：基于压电纳米纤维的柔性能量收集器件研究学科专业：凝聚态物理学位申请人：刘宝导师：王飞飞教授摘要近年来，发展微纳器件的自主供电技术吸引了国内外科研人员的广泛兴趣。机械能是环境中最广泛和丰富的能源形式之一，以人体运动为例，关节旋转、肌肉收缩的弹性变形等都是机械能。如果能将这些能量回收利用进而提供给随身携

2、带的微小型电子仪器（如计步器）进行供电，使其长时间使用而不需要更换电源或电池，完全实现自驱动，对可穿戴领域及智能城市发展具有重要意义。为进一步提高当前压电能量收集器件的性能，促进其在智能穿戴等领域的应用，本论文围绕一维环境友好的压电纳米纤维展开研究，采用静电纺丝工艺来制备获得高质量的纳米纤维，并在此基础上，进一步制备了环境友好、柔性、可穿戴式的压电式能量回收器件，提升了当前柔性压电式能量收集器件的性能，主要研究结果如下：1.利用静电纺丝工艺与溶胶凝胶相结合，首先制备了具有钙钛矿结构的BaTiO3(BTO)无铅压电纳米纤维。较系统地研究了电场强度、前驱体溶液浓度、

3、热处理等工艺对纤维形貌的影响规律。研究发现，纤维的直径随着电场强度的增加而略有所减小，随着前驱体浓度的增加而显著增加，这与理论上的预期相一致。实验中，当BTO的浓度为0.3mol/L时，电纺得到的纤维直径为约500nm，经过高温热处理后，纤维直径减小至100~200nm，相应的单个BTO晶粒尺寸约40nm，利用压电力显微镜表征得到单根BTO纳米纤维的压电系数达到40pm/V，具有明显的微区电压回线。在此基础上，利用制备得到的BTO纳米纤维，设计和制备了一种叉指电极结构的压电能量收器件，在激励频率为45Hz条件下，负载1MΩ时，输出电压的峰-峰值为0.45V。2.

4、利用静电纺丝方法进一步制备了准同型相界(MPB)组分的二元固溶体0.93Bi0.5Na0.5TiO3-0.07BaTiO3（BNT-BT，被认为是铅基压电材料最有力替代者之一）。通过优化工艺参数，获得了直径均匀、致密性良好的长直纤维，直径约为500nm左右。经过750oC高温热处理以后，随着聚合物挥发以及BNT-BT纤维结晶，直径明显减少，从500nm减少至约200nm，晶粒直径约80nm。利用压电力显微镜测得单根BNT-BT纳米线纤维的压电系数为109pm/V。在此基础上，进一步制备了BNT-BT纳米纤维柔性压电能量收集器，负载为1MΩ下，输出电I摘要上海师范

5、大学硕士学位论文压达到30V，平均输出功率为1.5μW。关键词：压电；能量收集器；环境友好；纳米纤维IIShanghaiNormalUniversityMasterofScienceAbstractAbstractHarvestingcleanandrenewableenergyfromtheenvironmenthasbeenattractingimmenseinterestinthescientificcommunitywhichprovidesaneffectivewaytopowernanodevicesandwirelesssensors.Amongt

6、hevariousrenewableenergysourcessuchaslight,vibration,heat,andmicrowaveradiation,vibrationappearstobethemostubiquitouspowersource.Severaltransductionmechanismshavebeensuggestedtoscavengemechanicalandvibrationalenergyintoelectricity,includingelectro-magnetic,electrostatic,andpiezoelect

7、ricmechanisms.Ofthesemechanisms,harvestersbasedonthepiezoelectriceffecthavetheadvantagesofhighenergydensityandpotentialforminiaturizationandthusattractedmuchattentioninrecentyears.Inpresentwork,eletrospinninghasbeenutilizedtofabricateBaTiO3andBNT-BTnanofibersduetotheadvantagesoflow-c

8、ost,high-eff