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本论文主要研究了压电聚合物P(VDF-TrFE)和PVDF纳米纤维薄膜的制备和性质与基于压电纳米纤维薄膜的柔性压力传感器的开发。
本研究采用静电纺丝技术制备压电纳米纤维。首先对静电纺丝工艺进行了探索和优化,影响静电纺纤维的直径形貌和性能的因素主要有溶液性质(溶剂和浓度)、电压、推进速度、接收距离和温湿度等。实验和分析表明,这些因素的作用是相互的,需要进行配合调节。在大量实践和分析的基础上,得到了静电纺丝的优化参数。然后在静电纺丝工艺优化的基础上,制备了不同组分的共聚物P(VDF-TrFE)和PVDF的纳米纤维薄膜。利用扫描电镜、X射线衍射和红外光谱分析等手段对纳米纤维薄膜的形貌和晶体结构进行表征,形貌表征结果表明通过静电纺丝方法获得了均匀的纳米聚合物纤维;晶体结构分析说明,在静电纺丝的高电场下,聚合物P(VDF-TrFE)和PVDF晶体发生了由非极性α相向极性β相结构的转变,同时共聚物表现出了更高的极性和结晶度。这表明纺丝过程中,电场对聚合物不仅发挥了强烈的拉伸作用,还起到了很好的电极化效果。最后设计制作了基于静电纺压电纳米纤维薄膜的柔性压力传感器,并对传感器的性能进行了测试。在各种测试中,这种新型的传感器对压力变化都保持了很好的响应,没有信号的滞后和偏移。1Hz周期压力测试下,基于共聚物P(VDF-TrFE)(77/23)的传感器具有最高为60.5mV/N灵敏度,PVDF次之,P(VDF-TrFE)(55/45)最小,这一结果与其纤维晶体结构分析相一致。为了进一步提高新型传感器的柔性、透气性和稳定性,还对石墨烯材料作为电极在压力传感器上的应用进行了初步的探索,结果证明了石墨烯材料应用的可行性,但其性能有待于进一步的研究。
研究结果表明,新型的柔性压力传感器不仅具有良好的压电性能,还有高柔性、透气性好和生物相容性好等优点,在医疗、机器人和服饰等领域有广阔的应用前景。