基于新型分子压电材料可穿戴式能量收集器的研究

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随着物联网的发展,各种可穿戴的柔性电子设备开始流行在人们的生活中。传统的纯无机压电材料虽然有较好的压电性,但因为其刚性较大无法用于柔性电子器件。纯有机压电材料虽然有较好的柔性,但其小的压电系数限制了在压电方便的应用。而材料复合,可以将二者的优点结合起来,使其既具备柔性,又有较高的压电系数。近来,一种新型铁电压电材料(C5H12NO)2PbBr4简称(ATHP)2PbBr4被发现,它具有较高的居里温度Tc和压电电压常数g33,这些特点将会制备出性能优良的压电器件。本论文将基于这种新型压电材料(ATHP)2PbBr4制备出压电薄膜和可穿戴式能量收集器并进行相关测试。主要研究内容有:对(ATHP)2PbBr4粉末的结构及其物理性质的表征;不同浓度和制备工艺对压电薄膜的形貌的影响及其物理性质的研究;对基于0-3型压电薄膜的压电能量收集器的性能的测试。具体包括以下几个方面:1.通过蒸发结晶法制备出(ATHP)2PbBr4晶体粉末,采用X射线衍射、热重分析、差式扫描量热表征其的结构性质和物理性质。结果表明,其晶体参数为a=26.9398(?),b=8.9041(?),c=7.9430(?),晶胞体积为1905.3587(?)~3;在276℃的时候,样品重量减少了5%;220℃则为该材料的居里温度。然后探究了不同浓度对(ATHP)2PbBr4薄膜形貌的影响,选出了最佳制备浓度0.5 g/ml,用压电力显微镜证明了纯(ATHP)2PbBr4压电薄膜的铁电性。2.通过甩膜法制备(ATHP)2PbBr4与PVDF的0-3型压电复合薄膜。首先研究了不同工艺对薄膜形貌和晶体取向的影响,获得了最佳的制备工艺条件,即转速为500-1000 r.p.m,退火温度为90℃。以此工艺条件制备的薄膜形貌最佳,且具备最优晶体取向。另外,通过对复合薄膜的物质组成分析,证明了薄膜0-3型结构的准确性。3.为了得到良好的压电性,研究了极化条件对压电薄膜d33的影响,0-3型压电复合薄膜在经过10 k V电压极化3 h后,d33值由2 p C·N-1提高到27 p C·N-1。经计算得,以此条件极化的复合薄膜g33为372.4×10-3 Vm/N。4.选用具有氧化铟锡(Indium-Tin Oxide,ITO)导电面的聚对苯二甲酸乙二醇酯(Polyethylene terephthalate,PET)作为旋涂压电薄膜的基底,以双向拉伸聚丙烯薄膜(Biaxially Oriented Polypropylene,BOPP)为封装材料,制备了柔性压电能量收集器。针对这种压电器件的33型压电转换模式,搭建了测试平台,对其性能进行测试。器件性能测试结果如下:在不加负载时,激振器以30 Hz,35 V(加速度约为30 m/s~2,应力约为12 N)驱动时,压电器件最大开路电压为2.17 V。压电器件在通过疲劳性测试之后,结果表明压电器件具有良好的稳定性。当接入负载小于1 MΩ时,最大输出电流为5μA;当负载电阻为1 MΩ时,得到最大输出功率约为2μW,此时功率密度约为2μW/cm~2。当负载电阻大于1 MΩ,最大输出电压约为1.63 V。单片压电器件在35 V,60 Hz驱动下,可对1μF的电容器充电,使其电压达到1 V左右。四片压电器件,向1μF的电容器充电,电压可达3.5 V,并成功点亮发光二极管。
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