【摘 要】
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传感器作为一种检测装置,通过感受外界的信息拓宽了人们的感知范围。在高度信息化的当代,为了满足各行各业的需求,人们研发了多种形式的传感器。而柔性压力传感器因在可穿戴设备和电子皮肤等诸多领域的潜在应用,也受到国内外学者的重视。基于无铅压电低维纳米材料的压力传感器在柔性感知领域的应用是近年来该领域研究人员关注的热点,但无铅压电材料的压电性普遍不高,如何提升材料的压电常数是该领域面临的最大挑战。本文以铌酸
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传感器作为一种检测装置,通过感受外界的信息拓宽了人们的感知范围。在高度信息化的当代,为了满足各行各业的需求,人们研发了多种形式的传感器。而柔性压力传感器因在可穿戴设备和电子皮肤等诸多领域的潜在应用,也受到国内外学者的重视。基于无铅压电低维纳米材料的压力传感器在柔性感知领域的应用是近年来该领域研究人员关注的热点,但无铅压电材料的压电性普遍不高,如何提升材料的压电常数是该领域面临的最大挑战。本文以铌酸钾钠（KNN）基无铅压电材料为研究对象,通过A、B位的Li、Ta共掺对产物的晶体结构进行调控,通过静电纺丝法制备具有高长径比的(K0.5Na0.5)0.94Li0.06(TaxNb1-x)O3（KNLTN）纳米纤维并组装基于柔性聚合物基底的高性能自供电压力传感器。论文研究了Ta的掺杂比例对于KNLTN物相和压电性能的影响,并对器件组装与自供电传感特性进行了系统分析。主要研究内容如下:（1）采用溶胶凝胶法制备了不同Ta掺杂比例的(K0.5Na0.5)0.94Li0.06(TaxNb1-x)O3（x=0、0.1、0.2、0.3、0.4）静电纺丝前驱体溶液。通过一系列探究性实验确定了在金属针头与接收板间距为10 cm、高压直流电源电压为10 k V、PVP浓度为0.1 g/m L、环境湿度小于40%RH的条件下可以通过静电纺丝法制备具有均匀形貌的KNLTN/PVP复合纳米纤维。将复合纳米纤维在空气中退火,退火温度为以10 ℃/min的速率升温至450 ℃,保温一小时后再以10 ℃/min的速率升温至650 ℃,保温一小时,即可获得结晶性良好的钙钛矿KNLTN纳米纤维。KNLTN纳米纤维的物相随着Ta掺杂比例的增加而发生转变。当Ta掺杂比例为0至0.2时,所得KNLTN纳米纤维为多晶正交相结构;当Ta掺杂比例达到0.3时,产物部分转变为四方相,导致正交相和四方相并存。当Ta掺杂比例进一步增加至0.4,所得KNLTN纳米纤维转变为四方相。（2）不同组分的KNLTN纳米纤维均表现出良好的压电响应特性。压电力响应显微镜（PFM）所得径向振幅曲线均呈现出典型的蝴蝶曲线,且径向压电常数d33随着Ta掺杂比例的增加而呈现先增大后减小的趋势。当掺杂量为0时,平均压电常数为16.05 pm/V;随着Ta掺杂量增加值达到x=0.3,产物的平均径向压电常数增加了30倍以上,达到522.15 pm/V;但随着Ta掺杂比例的进一步增加,材料压电常数有所下降,约为118.82 pm/V。上述变化主要是由于Ta的掺杂改变了材料晶体结构所致。当Ta掺杂比例为0.3时,KNLTN纳米纤维在室温下处于四方-正交相界附近,其极化自由度更高,使材料呈现出显著增强的压电性能。（3）将高温退火所得纳米纤维转移至PDMS柔性聚合物表面,组装了一系列基于不同组分KNLTN纳米纤维的柔性压力传感器。在外力作用下,器件可产生幅值达到5 V的开路输出电压,且其力-电转换性能主要来自材料的压电发电特性。随着KNLTN纳米纤维中Ta掺杂比例的增加,传感器在一定范围外力作用下的电压输出灵敏度呈现先增大后减小的趋势。Ta掺杂比例为0的样品的电压输出灵敏度为13.30 mV/kPa,而Ta掺杂比例为0.3的样品的电压输出灵敏度为43.97 mV/kPa,约为Ta掺杂比例为0的器件的三倍。而随着Ta掺杂比例的进一步增加,Ta掺杂比例为0.4的样品的电压输出灵敏度明显降低,仅有为18.71 mV/kPa。此外,传感器响应迅速且稳定性好。对周期性外力作用的响应时间仅为5 ms,且经历超过5万次循环测试后性能未见衰减。这种灵敏度高、循环稳定好且响应时间短、柔性良好的自供电压力传感器在柔性器件领域具有良好的发展前景。
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