【摘要】：壓電材料能夠將力與電信號互相轉換,從而在換能器、驅動器、傳感器上有著廣泛的應用。而當壓電材料的尺度減小到微納米范圍時,其性能會發(fā)生極大的改變。例如壓電纖維的彈性系數(shù)會減小,彈性極限增大,壓電常數(shù)也會隨著纖維直徑減小而增大,對微弱、低頻、不規(guī)則的機械振動變得很敏感,也能夠產(chǎn)生壓電響應。而這種機械振動是環(huán)境中廣泛存在的的綠色可再生能源,例如氣流、水流、噪聲、振動、生物運動等等。因此將壓電材料納米化以從周圍環(huán)境中收集廢棄的振動能轉化為電能,應用在納米發(fā)電機、有機污染物催化降解等領域,是一種非常有應用前景的技術。但是在已有的研究中,對壓電纖維的制備、微觀結構與壓電-鐵電性能的研究仍然不夠深入,其壓電性能較壓電陶瓷仍然較差;而且對于壓電纖維在外加應力/應變下如何產(chǎn)生變形并產(chǎn)生壓電勢,以及壓電勢如何傳遞到外部并加以利用的機制研究并不夠深入;基于其制備的納米發(fā)電機輸出和催化降解性能仍需進一步提升。因此,本文以壓電納米纖維為研究對象,主要研究了以下內容:(1)首先基于新型高性能的無鉛壓電陶瓷(1-x)(K1-y Nay)(Nb1-z Sbz)O3-x Bi0.5(Na1-w Kw)0.5Zr O3(KNNS-BNKZ)的成分設計,通過靜電紡絲法首次制備出KNNS-BNKZ納米纖維,通過多種分析測試方法對其結構和壓電鐵電性能進行表征。(2)然后基于KNNS-BNKZ納米纖維,制備了多種結構的壓電納米發(fā)電機,通過測試其電信號輸出,分析討論了基片,電極,纖維空間排布,加載方式,負載等各種因素對納米發(fā)電機輸出的影響,進行結構設計優(yōu)化,實現(xiàn)能量的收集與存儲。(3)然后通過應用圖案襯底和纖維在空間上的自限制,引入彎曲的一維壓電結構和幾何的新設計,在多種壓電陶瓷纖維中實現(xiàn)了向上的撓曲電自極化,基于這種自極化的纖維,制備出的納米發(fā)電機未極化就能夠產(chǎn)生與極化后的納米發(fā)電機相近的電壓,這種由于應變梯度導致的自極化非常穩(wěn)定,能夠抵御外加電場和溫度變化。(4)制備了0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3-0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3(BZT-BCT)壓電纖維,并且基于纖維的壓電電化學效應,首次實現(xiàn)俘獲低頻,低能量的機械能以降解Rh B染料水溶液。這些研究極大地促進了一維壓電/鐵電材料的制備、結構與性能的研究,推動了其在收集利用綠色可再生的振動能上的應用,具有十分重要的意義。
【圖文】：

近些年來已成為制備壓電納米纖維的主要方法用靜電紡絲法結合高溫煅燒制備了連續(xù)，均勻一電極接收器，得到了定向排布的纖維，且首次利織物[30]，纖維均呈現(xiàn)多晶鈣鈦礦結構，具有鐵電ZT 纖維 d33達到 223pm/V[31]。王昭等在叉指電極3（KNN）纖維用于動態(tài)應變傳感，直徑在 100 納甲醚為溶劑，醋酸為螯合劑，醋酸鉀、醋酸鈉、靜電紡絲法制備錳摻雜 KNN 納米纖維，，錳的摻雜纖維的形成，并且明顯地提升了壓電性能，3 mo 40.6pm/V，是未摻雜纖維的 5 倍。Bi Fu[34]等制時，在 300℃發(fā)生了擴散相變，從鐵電相轉變?yōu)樾兔總�納米陶瓷顆粒間的不連續(xù)性，大大提電性質的變化歸結于纖維的多晶結構，極化前后V，這是由于極化后降低了機械品質因子 Q。這種的壓電性質，讓它能夠集成到機電系統(tǒng)中去，在

化鋅納米線基的壓電納米發(fā)電機提出006 年佐治亞理工學院的王中林教授等[5]在《Science》上發(fā)表多篇論文，首電機（Nanogenerator，NG）的概念。如圖 1-2 所示，在固態(tài)導電的氮化上生長垂直一致取向的、整齊排列的氧化鋅納米線（NanoWires，NWs）力顯微鏡進行測試，在接觸模式下利用包覆了一層 Pt 的 Si 探針掃過垂直陣列，測量負載為 500 兆歐的電阻上的輸出電壓。氧化鋅的壓電效應將機能，而作為半導體的氧化鋅金屬探針形成肖特基勢壘短暫存儲電荷，探針能，能夠產(chǎn)生幾毫伏的電壓。在之后的幾年中，研究者們把目光聚焦在納的科學問題上，例如通過微擾理論計算單根納米線受到探針掃動時的變形[37]，結合鋸齒形金屬電極與垂直氧化鋅納米線陣列，在超聲波驅動下產(chǎn)生]，通過研究氧化鋅載流子濃度與界面處肖特基結特性，發(fā)現(xiàn)低的載流子濃基勢壘有利于獲得更高的電壓[39]，以及通過理論計算研究自由載流子抵消以及溫度對其的影響[40]。為了把納米發(fā)電機從一個科學概念變成實用技術-45]花費了 4 年的時間將輸出電壓從最初的 9mV 提高到 1V。
【學位授予單位】：東南大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2018
【分類號】：TM31

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3 陳熒;張志;白志青;郭建生;;紡織基摩擦納米發(fā)電機收集人體運動能量的研究[J];紡織科學與工程學報;2019年02期

4 黃美珍;張nInI;謝紅;蔣濤;王兆娜;;非平行接觸分離式摩擦納米發(fā)電機的理論研究[J];大學物理;2018年11期

5 劉卓;王玲;李虎;鄒洋;石波t

本文編號：2706114