微纳米压电纤维的制备、组装及其能量收集的应用

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本论文采用溶液纺丝法、高压静电纺丝法制备了多尺度微纳米压电纤维材料,并将其应用于压电能量收集器件的制备,论文示范和讨论了基于压电纤维的能量收集器件的性能和工作机理。  论文采用静电纺丝技术制备了Pb(Zr,Ti)O3和(Na,K)0.5Bi0.5TiO3纳米纤维,并通过接收装置的设计实现了纤维定向排列。研究讨论了纺丝过程中聚合物黏度、纺丝电压、固化距离、前驱体溶液供给率和空气湿度等对静电纺丝制备得到的纤维形貌的影响,确定了最优的静电纺丝工艺参数。  论文通过研究水热反应等离子交换制备得到<001>取向的BaTiO3(BT)纳米线,用纺丝成型技术制备得到了BT/PVC复合纤维,在纺丝过程中,剪切应力的作用下,实现了BT纳米线在聚合物基体中的取向控制。  基于微纳米压电纤维材料,通过将其与聚合物进行复合,丝网印刷和离子溅射技术制备电极结构,制备了用于机械能量收集和转换的柔性压电能量收集器件(压电纳米发电机),进行了相关性能的测试、分析与讨论。实验中对纳米发电机在按压、弯曲和振动等多种模式下的能量收集性能进行了测试。  以PZT纳米纤维组装的纳米发电机极化后在按压模式下,最大输出电压可达7.13V,输出电流99nA;弯曲模式下,输出电压17.88V,输出电流206nA;振动模式下,输出电压1.21V,输出电流35nA。  以NKBT纳米纤维组装的纳米发电机极化后在按压模式下的输出电压可达3.45V,输出电流330nA;在弯曲模式下,输出电压2.51V,输出电流302nA;在振动模式下,输出电压2.48V,输出电流56nA。  论文基于BT/PVC复合纤维、细铜线、尼龙线进行编织,制备了织物结构纳米发电机。将纳米发电机固定于手臂弯曲关节处,纳米发电机能有效将人体运动能量转化为电能,产生1.9V的输出电压和24nA的输出电流。  论文对压电能量收集器件进行了应用研究,纳米发电机输出的能量能运用于驱动LCD、LED等小型电子设备,纳米发电机具有小型化、柔性、可穿戴等鲜明特点。
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