论文部分内容阅读
压电纳米发电机的发明是纳米技术发展中的一个里程碑。它实现了纳米尺度上的机械能-电能转化。压电复合材料的机电转换性能不仅与压电相本身的压电性能相关,更与压电相的取向和分布密切相关。目前的压电纳米发电机主要通过将压电材料与柔性有机基体复合来制备,不能获得集中的压电响应且载荷传递较差。为了解决这一问题,在本论文的第一部分中制备了具有晶体取向的锂掺杂二维氧化锌微米片并制备了相应的纳米发电机。在本论文的第二部分工作利用电子级玻璃纤维纺布(GFF)作为基板分别生长了连续分布的铁酸铋薄膜和锆钛酸铅压电薄膜并制作了相应的纳米发电机。主要研究结果如下:(1)采用水热法制备了自发极化的二维结构锂掺杂氧化锌(Li-Zn O,d33值为15 pm/V),并在此基础上制备了柔性纳米发电机(LZNG),研究了锂掺杂浓度、前驱体溶液浓度、Li-Zn O的质量分数和极化过程对LZNG输出的影响及其机理。主要结论如下:LZNG的压电输出随着锂掺杂浓度提高而增大;基于LiZn O微米片的LZNG的压电输出比基于Li-Zn O微米棒的LZNG高很多,这是因为分散在PDMS中的Li-Zn O微米片具有大致相同的取向,实现了宏观自极化;在不进行极化的条件下,Li-Zn O微米片质量分数为10%的LZNG具有最高压电输出(~14 V,~13.18μA/cm2,~5.43 m W/cm3);(2)采用浸渍法在GFF上生长了纳米铁酸铋(BFO)薄膜。将BFO-GFF复合材料与叉指电极结合制备了柔性纳米发电机BFO-PENG。主要发现如下:采用550 o C+60 min的退火工艺获得了纯相的BFO-GFF复合材料,GFF的网状结构使其具有超柔性(可弯曲180o);BFO-PENG最高压电输出为~15 V,~71.90μA/cm2,比过去报道结果提升了一个数量级,这是因为BFO-GFF复合材料具有集中的压电响应和良好的载荷传递能力;功率测试表明BFO-PENG的最大功率密度为~2.66 m W/cm3。(3)采用浸渍法在GFF上生长了纳米锆钛酸铅(PZT)薄膜。将PZT-GFF复合材料分别与叉指电极和碳膜电极结合,制备了两种不同结构的超柔性纳米发电机IDE-PENG和CFE-PENG。主要发现如下:制备的柔性PZT-GFF复合材料的剩余极化强度为~55μC/cm2;IDE-PENG的最高压电输出为~60 V,~245.10μA/cm2,最大功率密度为~15.96 m W/cm3,其中电流密度比已有报道都要高;IDE-PENG的压电输出与应变/载荷呈现良好的线性关系,在压电传感器领域具有很好的应用前景;与IDE-PENG相比CFE-PENG的制备流程更简单,制备成本更低,柔性更好,还可以根据需求增大尺寸。CFEPENG(8cm?8cm)的压电输出为~110 V,~1.05μA,能够点亮20个LED小灯泡。总的来说,在本工作中我们通过实现压电相的取向分布已经制备连续分布的压电相显著提升了铁电氧化物纳米发电机的压电输出性能,同时也提升了器件的柔性和耐久性,简化了制作流程。研究结果为纳米发电机的大规模实际应用提供了切实可行的思路。