电纺阵列化纤维及复合纳米纤维膜的压电特性

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电纺技术可以追溯到1902年,纳米科技的发展水平越来越高,在世界上引起的关注也越来越广泛。电纺技术以及利用电纺技术制备的纳米纤维有着广泛的应用价值和潜在的应用价值。而日益先进的个人电子设备对能源的需求愈发增强。轻便化的电子设备也要求供能设备朝着轻便可穿戴方向发展。本论文研究内容主要包括两个方面,一是可控螺旋纤维的制备,以及相关技术的改进;二是探究电纺复合纳米纤维膜的压电性能。首先,我们利用近场电纺装置,获得了排列效果好、形貌可控的螺旋纤维阵列。通过调整纺丝电压的强度,得到了具有不同形态特征的螺旋纤维。弥补了线性纤维带来的缺点。相较于前人报道的近场电纺螺旋纤维有着更为清晰的螺旋结构以及更加整齐的阵列化排列。纤维的形态特征随纺丝电压的升高呈现规律性。证实了带电射流产生的电驱动非轴对称弯曲不稳定性导致的物理力是产生螺旋纤维的主要原因。有助于推动有机/无机纳米纤维在柔性纳米器件和纳米逻辑电路等方面的发展。为阵列螺旋纤维与功能性设备集成开辟了一条有效途径。同时,基于近场电纺技术,探究了外加辅助导电装置对于纤维形成效果的影响。开发设计了一种原位定点纺丝辅助装置。有效抑制了带电射流鞭动不稳定运动的过早产生,增加了纺丝距离,减小电纺纤维直径。相较于见于报道的近场电纺纤维有着更好的形貌与纤维沉积的可控性。有效提升近场电纺装置的工作能力。最后,为了改善纳米发电机的性能,通过静电纺丝技术,制备了复合PVDF基纳米纤维膜,并以此为基础组装了纳米发电机。探究了不同质量分数的ZnO纳米颗粒的掺杂对于PVDF基纳米发电机压电性能的影响。结果显示通过复合,有效地提高了PVDF纤维膜的压电性能。并且随着掺杂浓度的增加,PVDF/ZnO复合纤维膜的压电性得到提升。同时,相较于之前见于报道的PVDF纳米发电机只关注了其压电性,我们还对复合材料纳米发电机进行了热释电与弯曲放电测试。另外,经过表征分析发现,随着Zn O纳米颗粒掺杂浓度的提升,复合纤维膜表面逐渐变得粗糙。纤维直径逐渐变得不均匀,纤维整体变粗,成两极化分布。ZnO纳米颗粒的团聚现象也更加明显,直观地表现为相邻周期的输出电压的差异性逐渐变大。结果表明,通过无机金属氧化物与有机聚合物压电材料的复合,在不改变期间柔韧性的情况下有效地提升了纳米发电机的输出特性,使其在柔性纳米发电机等领域具有更好的应用前景。
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