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        科學研究

        王勝遷:壓電和摩擦電在羥基磷灰石/PVDF-HFP纖維膜納米發電機中的貢獻研究【NE,2022】
        2022-12-07 閱讀:1441

        聚偏二氟乙烯(PVDF)壓電納米發電機(PENG)由于其優異的柔韌性、低的楊氏模量、易于加工和大規模生產特性而具有商業前景。迄今為止,基于PVDF的商用壓電傳感器主要用于軍事領域的聲納、民用領域的防盜警報、氣體壓力傳感器、胎兒心音檢測器和手指脈搏計等。對于PVDF靜電紡絲纖維膜PENG,通常認為它們產生的電信號僅源于壓電效應,但事實上,該信號是由PVDF壓電發電和絲與絲之間的摩擦發電共同貢獻產生的。目前針對此類纖維納米發電機缺少摩擦電和壓電輸出貢獻的量化研究,缺乏對信號來源的認識,這限制了該類納米發電機的進一步性能優化。

        針對以上問題,我校材料科學與工程學院碩士研究生王勝遷在佟望舒副教授、張以河教授和安琪教授的共同指導下,添加羥基磷灰石(HAP)到聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)纖維中,通過增加HAPPVDF-HFP之間的摩擦提升發電性能,之后通過加熱熔融的方法調控纖維形態,區分壓電發電和摩擦發電信號,揭示了HAP/PVDF-HFP纖維納米發電機中壓電和摩擦電的各自貢獻,為該類纖維納米發電機進一步優化設計提供啟示。這項工作的創新之處如下:

        1羥基磷灰石增強發電性能

        羥基磷灰石添加到PVDF-HFP中的含量分別為 0、10、20、2530 wt%,當含量為25 wt%時,發電開路電壓比起純PVDF-HFP纖維納米發電機提升約5倍。通過表征發現具有不同HAP含量的HAP/PVDF-HFP纖維膜中壓電相相對含量和結晶度幾乎相同,同時通過PFMd33測試證明壓電發電性能未明顯改善,因此認為HAP的添加主要增強了HAPPVDF-HFP在絲與絲間的摩擦發電,如圖1所示。

        2量化壓電和摩擦發電的各自貢獻

        為進一步證實上述觀點,在添加25 wt%填料的最佳含量下,通過加熱熔融的方法,對絲狀薄膜進行纖維形態調控。150 處理后的復合薄膜形成無纖維結構消除了絲與絲之間的摩擦發電,同時通過壓電相含量、結晶度和d33的測試證實了在不同處理溫度下的復合薄膜具有相同壓電性能,得到壓電貢獻的開路電壓值為0.4 V,在此基礎上進一步量化了25 wt% HAP/PVDF-HFP纖維薄膜中摩擦電的貢獻,因此摩擦和壓電對開路電壓值的貢獻分別為62.5%37.5%,如圖2所示。

         


        1 PVDF-HFP和HAP/PVDF-HFP納米纖維膜的(a) FTIR光譜, (b) β相的相對含量和(c) XRD圖譜; (d) 試樣結構示意圖; (e) PVDF-HFP和HAP/PVDF-HFP納米纖維膜的開路電壓; (f)相鄰纖維的接觸分離示意圖

         


        2 熱處理前后25 wt% HAP/PVDF-HFP納米纖維薄膜的SEM圖像. (a) 25 °C, (b) 110 °C, (c) 120 °C, (d) 130 °C, (e) 140 °C, (f) 150 °C; 熱處理前后25 wt% HAP/PVDF-HFP納米纖維薄膜的(g) β相的相對含量, (h) 開路電壓; (i) 摩擦電和壓電貢獻比例


        上述研究成果發表于材料領域國際權威期刊《Nano Energy》上:Shengqian Wang, Wangshu Tong*, Yanan Li, Panpan Zhang, Yulun Liu, Yiyuan Chen, Yihe Zhang*, Contributions of piezoelectricity and triboelectricity to a hydroxyapatite/PVDFHFP fiber-film nanogenerator, Nano Energy (2022): 108026. [IF 2021=19.069]

        全文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108026


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