论文总字数：24297字

摘 要

基于静电纺丝技术制备出来的聚偏氟乙烯/钛酸钡纤维膜是一种压电聚合物，可用于压力传感器的压力敏感材料，同时基于此材料的压电效应，它还可以充当纳米发电机中的能量转换材料。本论文研究了聚偏氟乙烯纤维膜和聚偏氟乙烯/钛酸钡纤维膜的静电纺丝参数和纺丝液的配比，同时测量了两种材料的线性响应范围、输出电压与压强的比例系数，测量方法不同于开路电压的直接测量，而是选择在电路中接入瓷片电容，然后测量电容两端的电压值，并对结果进行对比分析；此外，还对这两种材料在不同频率震动下的输出电流和功率进行了测试，并对结果进行了对比分析。结果显示，加入一定量钛酸钡纳米颗粒能有效的改善聚偏氟乙烯纤维膜的压电性能，而且提高了输出电流。

关键词：静电纺丝 聚偏氟乙烯 钛酸钡 压电性能 纳米发电机

Abstract

PVDF/BaTiO3 fiber film based on electrospinning technology is a piezoelectric polymer, which can be used as pressure sensitive material for pressure sensors. Based on the piezoelectric effect of this material, it can also be used as energy conversion material in nano-generators. In this paper, the electrospinning parameters of PVDF and PVDF/BaTiO3 fiber membrane and the preparation of spinning solution are studied. The linear response range and the ratio coefficient of output voltage to pressure of the two materials are measured. The measurement method is different from the direct measurement of open-circuit voltage, instead, the ceramic capacitor is selected to be connected in the circuit, and the voltage at the ends of the capacitor are measured. The results are compared and analyzed. In addition, the output current and power of the two materials at different vibration frequencies are tested and analyzed. The results show that adding a certain amount of barium titanate nanoparticles can effectively improve the piezoelectric properties of PVDF fiber membranes and the output current.

Key words: electrospinning PVDF BaTiO3 piezoelectric property nano-generator

目 录

第一章 绪论 4

1.1引言 4

1.2 PVDF与钛酸钡概述 6

1.2.1钛酸钡结构及其性质 6

1.2.2 PVDF结构及其性质 6

第二章 实验设备及方法 8

2.1实验设备及原理 8

2.1.1实验设备 8

2.1.2实验原理 9

2.1.3纤维形态的影响因素 10

2.2实验材料以及溶液、纤维膜制备 11

2.2.1实验材料 11

2.2.2溶液和复合纤维膜的制备 11

第三章 溶液配置及部分静电纺丝参数的确定 13

第四章 压电传感器 16

4.1压电性能 16

4.1.1测试电路 16

4.1.2压电性 17

4.1.3测试结果 19

4.1.3.1开路电压 19

4.1.3.2线性测试 20

第五章 纳米发电机 25

5.1压电式纳米发电机 25

5.2输出电流和功率测试 25

5.2.1测试电路及方法 25

5.2.2电流和功率 26

5.3整流存储电压 28

5.3.1测试电路 28

5.3.2测试结果 29

结论 31

参考文献 32

附 录 34

致 谢 37

第一章 绪论

1.1引言

传感器在现代科技中担负着重要的角色，伴随着现代科技的发展，人们对于传感器的要求也是越来越高，有许多的科技产品也因为传感器的缘故而发展放缓。以机器人为例，研究人员在研发机器人时，是想要机器人能够拥有类似人类的触觉和视觉以及像人类一样思考，在外界信息处理方面，可以由现代的软件算法来解决，例如人工智能算法，让机器人像人一样来应对外界传递来的信息。但是外界信息的采集就需要用到传感器，例如触觉，在触觉信息采集方面，压力传感器就是不可或缺的元器件，而其中，压电式压力传感器因其成本低、结构较简单、自功率比较大且结构灵活多变而受到了广泛的研究及应用。基于现代科技的发展，传感器趋向于小型化和高可靠性，所以纳米压电材料就自然的走进了研究人员的视线范围内，事实上，基于纳米压电材料的压力传感器质量小，制作方式简洁的特点，而且具有高的耐久性和对压力的高敏感性，这在科技发展中是比较具有优势。除此之外，纳米压电材料是将机械能转化为电能，所以，根据此特性，可以将纳米压电材料应用于环境中机械能的收集装置，这在能源日益紧缺的今天具有非常重要的意义，将平时环境中的机械能收集起来，用于供应低能耗的电子产品，实现低能耗电子产品的自供能也是现代科学研究的一个重要方向，使电子产品摆脱携带能源的限制，实现随时随地的使用，这也是低碳环保理念的一种实现方式，比如心脏起搏器，对于安装心脏起搏器的病人来说，最痛苦的莫过于要定期更换心脏起搏器的电池，这其中花费金钱不说，还要忍受手术带来的痛苦，如果能够找到一种能够自供能的方法，使心脏起搏器能够一次安装后，不需要后续的能源更换，让其自身就能够利用人体的生物能来为自己发电，不用时实现能源的补充存储，这就可以避免更换电源的麻烦，以纳米压电材料制成的纳米发电机能够满足这一设想，在安装心脏起搏器时，可以同时安装一个微型的纳米发电机，这样，纳米发电机可以利用心脏的跳动来为心脏起搏器充能，补充心脏起搏器工作时消耗的能源；而在现代社会，在我们日常生活中，机械振动也无时无刻不存在我们的周围，例如马路上汽车的鸣笛声，发动机的震动声，还有我们日常行走产生的震动，这些都是可以利用起来进行能量转化并回收起来的机械能，我们可以利用压电材料将这些零散的能量转化为电能，用小型化、大规模的方式进行收集，若是大规模发展起来，也是一笔很客观的能量来源，这能减缓现在日益严重的环境问题以及能源枯竭问题。静电纺丝技术早在1934年就开始被研究发展，最早由Formalas自己发明了利用静电力来制备聚合物纤维的实验装置，这也被认为是静电纺丝技术制备纤维的开端。静电纺丝技术可以用来制备直径从几个微米到几十个纳米的纤维，同时具有高效率、生产成本低、制备工艺过程可控以及无污染环保的特点。截至目前，人们已经成功将一些无机物、有机物甚至是生物大分子等一些材料通过静电纺丝技术制备成了各种各样的微纳米纤维结构，并应用在了很多的方面。同时，静电纺丝的设备也是在更新换代，先后出现了多针头和无针头的静电纺丝装置以及离心静电纺，来提高静电纺丝的效率或者解决工业化生产中针头堵塞和针头清理等问题，另外，静电纺丝技术的理论研究也在日益加深，通过理论分析来解释静电纺丝过程中出现的各种问题以及现象，甚至预测了带电射流最小直径的理论值。

在1880年，法国物理学家P.居里和J.居里兄弟就已经发现了石英的压电效应，随后他们又发现了逆压电效应，之后，压电材料开始一点一点的展现在世人眼前，并在社会生活中得到广泛的应用。压电材料分为无机材料和有机材料（其中有机材料又叫压电聚合物）。传统的无机压电材料在某些方面具有一定的缺陷，比如，压电陶瓷（钛酸钡BT、锆钛酸铅、改性锆钛酸铅、改性钛酸钡等）和压电晶体（石英水晶、镓酸锂、锗酸锂等）由于其固有的机械脆性，导致其在使用过程中比较容易断裂，在一些移动设备中，其使用就受到了较大的限制；除此之外，有些压电材料，如锆钛酸铅，虽然就有较高的介电常数以及压电的电压，但在生产锆钛酸铅陶瓷以及使用和废弃时，会对环境造成重金属污染，属于环境不友好型的材料，同时，对人体也会产生危害，所以有机压电材料在一些移动设备中以及考虑环境时就比较受青睐，但相较于无机压电材料，压电聚合物在压电性能上会有所不足，所以怎样去改善压电聚合物的压电性能也是现在的一个研究方向。压电聚合物最主要的就是聚偏氟乙烯（PVDF）以及它的改良复合物。现如今，有三种主要改良聚偏氟乙烯的方法，一是施加强电场，例如静电纺丝技术，可以有效的转化聚偏氟乙烯内部的晶型种类，提高聚偏氟乙烯的压电性能；二是添加无机压电材料，如钛酸钡或者是氧化锌，这种将两种压电材料结合成一种复合压电材料，既解决了无机压电材料的本身的机械属性缺陷，又弥补了压电聚合物相比于其它压电材料在压电性能上的不足；三是通过化学处理表面进行改良，这样能够提高压电材料的压力敏感性，这对于压电聚合物在传感器以及能量收集装置上的应用比较有利的。这三种方法都可以在一定程度上提高聚偏氟乙烯的压电性能。此外，聚偏氟乙烯不止在压电领域有相关的应用，在功能化方面也会发挥一些功能，例如其可以作为过滤薄膜，用于去处液体中的污染物、微生物等；另外，在生物医学方面也有一定的利用，用便携型静电纺丝设备来电纺出加入消毒杀菌物质的纤维膜覆盖在伤口处，可以作为野外创伤的紧急处理措施，防止创伤在野外恶劣的环境中进一步恶化，为创伤的后续处理争取宝贵的时间。

1.2 PVDF与钛酸钡概述

1.2.1钛酸钡结构及其性质

钛酸钡具有较高的介电性能，是一种压电陶瓷，是由的立方八面体和的正八面体组成，为钙钛矿型结构。相比于其它的含铅压电陶瓷，钛酸钡在生产过程中不产生含铅的有毒废物，对环境比较友好，因此在压电领域有诸多应用。钛酸钡总共有5种晶型，分别为六方结构、立方相、四方相、正交相以及菱方相，其中，在常温下一般为四方相。在这5中晶型中，四方相、正交相和菱方相都是具有铁电性的，因为这三种相具有自发极化方向特性，但是当温度超过钛酸钡的居里温度点时，自发极化的特性就消失了。除此之外，钛酸钡也能够应用于储

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