【摘 要】
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随着世界范围内能源消耗的增加和传统能源资源的短缺,可再生能源和清洁能源的收集使用越来越受到人们的关注。基于有机-无机复合铁电陶瓷材料的柔性薄膜是一种可以在日常生活中较为高效收集能量的纳米能量收集装置。有机-无机复合铁电陶瓷材料与传统的铁电陶瓷材料相比,具有很好的柔韧性和极高的耐疲劳的优点,但是由于铁电陶瓷颗粒在复合薄膜中随机散乱分布使得有机-无机复合铁电材料通常表现出较低的输出性能。为解决此问题,
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随着世界范围内能源消耗的增加和传统能源资源的短缺,可再生能源和清洁能源的收集使用越来越受到人们的关注。基于有机-无机复合铁电陶瓷材料的柔性薄膜是一种可以在日常生活中较为高效收集能量的纳米能量收集装置。有机-无机复合铁电陶瓷材料与传统的铁电陶瓷材料相比,具有很好的柔韧性和极高的耐疲劳的优点,但是由于铁电陶瓷颗粒在复合薄膜中随机散乱分布使得有机-无机复合铁电材料通常表现出较低的输出性能。为解决此问题,本文从以下方面开展了研究:首先以锆钛酸铅（PZT）和钐-铌镁酸铅-钛酸铅（Sm-PMN-PT）两种铁电陶瓷颗粒为掺杂物,以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为无机介质,利用介电泳技术制作了内部具有链状结构的复合铁电陶瓷材料薄膜,并对复合薄膜进行了高温高压油浴极化制作了能量收集器件。以此为基础,对介电泳过程中的电场强度、电场频率和介电泳温度进行了调控,制作了不同工艺下的Sm-PMN-PT复合薄膜。其次,对所制备Sm-PMN-PT复合薄膜用扫描电子显微镜（SEM）的背散射电子模式（BSE）表征,发现经过介电泳后的复合薄膜截面可以观察到内部铁电陶瓷颗粒呈链状排列,对复合薄膜的压电性能和热释电性能进行了测试,发现Sm-PMN-PT复合薄膜的压电性能和热释电性能全面优于PZT复合薄膜,同时随着电场强度和电场频率的增大,复合薄膜压电性能和热释电性能同时上升;相比之下温度升高会破环复合薄膜内部铁电陶瓷颗粒的有序排列,使复合薄膜的热释电性能和压电性能提升较小。利用相场模拟计算了铁电陶瓷颗粒在复合薄膜内部随意分布、未完全排列成链状和理想状态下排列成链状三种分布情况下,复合薄膜的受力情况,压电输出和传热速度。随着陶瓷颗粒的排列逐渐趋于一致,复合薄膜内部陶瓷颗粒的受力逐渐增大,压电输出增大,传热速率也加快。最后利用Sm-PMN-PT/PDMS薄膜测试了人体的不同呼吸下的输出情况和贴在烧杯底部向杯中倒入不同温度水的输出情况,并与没有介电泳的普通复合薄膜进行对比,发现排列整齐的复合薄膜的输出为普通复合薄膜的数倍,有效的提高了能量的采集与输出,而用复合薄膜撞击加热台时研究复合薄膜发生形变和温度变化时,发现复合薄膜的输出电压随着温度的升高,先增大后减小。
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