發(fā)布時(shí)間：2020-06-10 09:35

【摘要】：壓電材料能夠?qū)⒘εc電信號(hào)互相轉(zhuǎn)換,從而在換能器、驅(qū)動(dòng)器、傳感器上有著廣泛的應(yīng)用。而當(dāng)壓電材料的尺度減小到微納米范圍時(shí),其性能會(huì)發(fā)生極大的改變。例如壓電纖維的彈性系數(shù)會(huì)減小,彈性極限增大,壓電常數(shù)也會(huì)隨著纖維直徑減小而增大,對(duì)微弱、低頻、不規(guī)則的機(jī)械振動(dòng)變得很敏感,也能夠產(chǎn)生壓電響應(yīng)。而這種機(jī)械振動(dòng)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(dòng)、生物運(yùn)動(dòng)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(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能,應(yīng)用在納米發(fā)電機(jī)、有機(jī)污染物催化降解等領(lǐng)域,是一種非常有應(yīng)用前景的技術(shù)。但是在已有的研究中,對(duì)壓電纖維的制備、微觀結(jié)構(gòu)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(duì)于壓電纖維在外加應(yīng)力/應(yīng)變下如何產(chǎn)生變形并產(chǎn)生壓電勢(shì),以及壓電勢(shì)如何傳遞到外部并加以利用的機(jī)制研究并不夠深入;基于其制備的納米發(fā)電機(jī)輸出和催化降解性能仍需進(jìn)一步提升。因此,本文以壓電納米纖維為研究對(duì)象,主要研究了以下內(nèi)容:(1)首先基于新型高性能的無(wú)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(shè)計(jì),通過(guò)靜電紡絲法首次制備出KNNS-BNKZ納米纖維,通過(guò)多種分析測(cè)試方法對(duì)其結(jié)構(gòu)和壓電鐵電性能進(jìn)行表征。(2)然后基于KNNS-BNKZ納米纖維,制備了多種結(jié)構(gòu)的壓電納米發(fā)電機(jī),通過(guò)測(cè)試其電信號(hào)輸出,分析討論了基片,電極,纖維空間排布,加載方式,負(fù)載等各種因素對(duì)納米發(fā)電機(jī)輸出的影響,進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化,實(shí)現(xiàn)能量的收集與存儲(chǔ)。(3)然后通過(guò)應(yīng)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(jié)構(gòu)和幾何的新設(shè)計(jì),在多種壓電陶瓷纖維中實(shí)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(jī)未極化就能夠產(chǎn)生與極化后的納米發(fā)電機(jī)相近的電壓,這種由于應(yīng)變梯度導(dǎo)致的自極化非常穩(wěn)定,能夠抵御外加電場(chǎng)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(xué)效應(yīng),首次實(shí)現(xiàn)俘獲低頻,低能量的機(jī)械能以降解Rh B染料水溶液。這些研究極大地促進(jìn)了一維壓電/鐵電材料的制備、結(jié)構(gòu)與性能的研究,推動(dòng)了其在收集利用綠色可再生的振動(dòng)能上的應(yīng)用,具有十分重要的意義。
【圖文】：

近些年來(lái)已成為制備壓電納米纖維的主要方法用靜電紡絲法結(jié)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(jié)構(gòu)，具有鐵電ZT 纖維 d33達(dá)到 223pm/V[31]。王昭等在叉指電極3（KNN）纖維用于動(dòng)態(tài)應(yīng)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(shí)，在 300℃發(fā)生了擴(kuò)散相變，從鐵電相轉(zhuǎn)變?yōu)樾?yīng)和每個(gè)納米陶瓷顆粒間的不連續(xù)性，大大提電性質(zhì)的變化歸結(jié)于纖維的多晶結(jié)構(gòu)，極化前后V，這是由于極化后降低了機(jī)械品質(zhì)因子 Q。這種的壓電性質(zhì)，讓它能夠集成到機(jī)電系統(tǒng)中去，在

化鋅納米線基的壓電納米發(fā)電機(jī)提出006 年佐治亞理工學(xué)院的王中林教授等[5]在《Science》上發(fā)表多篇論文，首電機(jī)（Nanogenerator，NG）的概念。如圖 1-2 所示，在固態(tài)導(dǎo)電的氮化上生長(zhǎng)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(jìn)行測(cè)試，在接觸模式下利用包覆了一層 Pt 的 Si 探針掃過(guò)垂直陣列，測(cè)量負(fù)載為 500 兆歐的電阻上的輸出電壓。氧化鋅的壓電效應(yīng)將機(jī)能，而作為半導(dǎo)體的氧化鋅金屬探針形成肖特基勢(shì)壘短暫存儲(chǔ)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(xué)問題上，例如通過(guò)微擾理論計(jì)算單根納米線受到探針掃動(dòng)時(shí)的變形[37]，結(jié)合鋸齒形金屬電極與垂直氧化鋅納米線陣列，在超聲波驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生]，通過(guò)研究氧化鋅載流子濃度與界面處肖特基結(jié)特性，發(fā)現(xiàn)低的載流子濃基勢(shì)壘有利于獲得更高的電壓[39]，以及通過(guò)理論計(jì)算研究自由載流子抵消以及溫度對(duì)其的影響[40]。為了把納米發(fā)電機(jī)從一個(gè)科學(xué)概念變成實(shí)用技術(shù)-45]花費(fèi)了 4 年的時(shí)間將輸出電壓從最初的 9mV 提高到 1V。
【學(xué)位授予單位】：東南大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TM31

【相似文獻(xiàn)】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 ;美國(guó)華人科學(xué)家發(fā)明交流納米發(fā)電機(jī)[J];廣西電力建設(shè)科技信息;2008年04期

2 王中林;;納米發(fā)電機(jī)將改變世界[J];電力設(shè)備管理;2019年01期

3 陳熒;張志;白志青;郭建生;;紡織基摩擦納米發(fā)電機(jī)收集人體運(yùn)動(dòng)能量的研究[J];紡織科學(xué)與工程學(xué)報(bào);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(jī)的理論研究[J];大學(xué)物理;2018年11期

5 劉卓;王玲;李虎;鄒洋;石波t

本文編號(hào)：2706114