本文關(guān)鍵詞：柔性功能高分子材料及器件的設(shè)計與應(yīng)用　出處：《中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)》2017年博士論文　論文類型：學(xué)位論文

  更多相關(guān)文章： 柔性器件 功能高分子 導(dǎo)電高分子 聚吡咯 超級電容器 納米發(fā)電機

【摘要】：近年來,柔性器件因其具有柔性、輕薄等特性,在生物醫(yī)學(xué)、能量存儲與轉(zhuǎn)換器件、可穿戴設(shè)備、醫(yī)用傳感器、便攜設(shè)備等領(lǐng)域廣泛研究。柔性器件大多采用柔性電子技術(shù),在彈性基底上,把剛性的微電子器件通過柔性的導(dǎo)線連接起來。剛性的微電子器件大大限制了器件的可變形性,且工藝比較復(fù)雜,難以適用于大規(guī)模、大面積的組裝。用具有可拉伸性的有機導(dǎo)電材料和半導(dǎo)體材料制備柔性器件是一種簡便有效的方式,但是現(xiàn)有的有機導(dǎo)電材料和有機半導(dǎo)體材料的可拉伸性較差,材料的機械性能和電學(xué)性能有待改進。本論文旨在設(shè)計合成并利用柔性的功能高分子材料,直接組裝柔性器件,分別是柔性驅(qū)動器、柔性超級電容器及柔性的熱釋電納米發(fā)電機,研究其在能量轉(zhuǎn)換、存儲、和收集方面的應(yīng)用。本論文對如何設(shè)計合成柔性的導(dǎo)電高分子及利用柔性功能高分子材料組裝柔性器件具有積極的指導(dǎo)意義。論文的工作包括以下四部分的內(nèi)容:(1)利用電化學(xué)聚合法合成的聚吡咯可以形成自支撐的薄膜。但聚吡咯主鏈的剛性共軛結(jié)構(gòu)導(dǎo)致聚吡咯薄膜比較脆,機械性能很差,大大限制了它作為柔性電子材料的應(yīng)用。之前的研究中在提升聚吡咯薄膜的機械性能和導(dǎo)電性方面做了大量的嘗試。但聚吡咯薄膜的強度和可拉伸性并沒有得到很大的提升,制備高強度、柔性以及高導(dǎo)電性的聚吡咯薄膜,是將聚吡咯薄膜應(yīng)用于柔性電子器件領(lǐng)域的關(guān)鍵。通過模擬動物真皮的動態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),我們設(shè)計并合成了一系列多元醇-聚吡咯復(fù)合材料。多元醇與聚吡咯之間通過氫鍵和靜電相互作用交聯(lián)形成動態(tài)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),這種動態(tài)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)能夠幫助耗散外界施加的破壞性能量,從而大幅提高材料的強度和韌性。多元醇-聚吡咯復(fù)合材料的機械性能和多元醇的結(jié)構(gòu)密切相關(guān),其中具有四分支結(jié)構(gòu)的聚乙二醇(PEE)和聚吡咯的復(fù)合物(PEE-PPy)的機械性能最為優(yōu)異:PEE-PPy的拉伸強度可達125 MPa,平均斷裂伸長率為75%,彈性韌性高達73 MJ/m~3,其彈性韌性超過繭絲(70 MJ/m~3)。除此之外,PEE-PPy的電導(dǎo)率高達115 S/cm,優(yōu)于傳統(tǒng)的聚吡咯材料。多元醇-聚吡咯復(fù)合材料的高強度、韌性、柔性和優(yōu)異的導(dǎo)電性,使其作為柔性電子材料具有很大的應(yīng)用潛力。(2)第一部分中制備的多元醇-聚吡咯薄膜是一種對濕度具有靈敏響應(yīng)性的聚合物。通過在濕度響應(yīng)性的聚吡咯薄膜中摻入超順磁性的磁性納米粒子,我們設(shè)計并制備了濕度驅(qū)動的柔性"牽引機"。在外界靜態(tài)磁場的控制下,這種直接用柔性功能性聚合物薄膜制備的柔性驅(qū)動器,可以有效地把蘊藏在環(huán)境濕度梯度中的化學(xué)自由能轉(zhuǎn)化為機械能,并且能快速地將它本身重量5倍的貨物運輸?shù)侥康牡亍?3)伴隨著輕便可移動電子器件以及可穿戴設(shè)備等柔性器件的發(fā)展,作為新型儲能器件,柔性超級電容器的需求也與日俱增。我們制備的聚乙二醇600(PEG 600)摻雜的聚吡咯(PEG 600-PPy)薄膜,具有優(yōu)異的機械性能和電化學(xué)性能,既可以作為電極材料,也可同時作為集流器。因此,我們用PEG 600-PPy薄膜直接組裝制備了自支撐柔性超級電容器,該器件可達到561 F/cm~3的體積比電容,并且循環(huán)穩(wěn)定性很好,壽命長。器件整體的厚度只有100μm,具有超薄的特性,而且具有一定的柔性和強度,在折疊彎曲等變形下,比電容值保持不變。這種用高性能導(dǎo)電聚吡咯直接組裝所得的柔性超級電容器,可以作為超薄柔性電子器件的儲能設(shè)備。(4)利用熱釋電納米發(fā)電機進行能量收集,是一種新興的收集環(huán)境廢熱的有效方式。快速的溫度變化是熱釋電納米發(fā)電機工作的關(guān)鍵,但現(xiàn)在大多數(shù)都需要額外的機械或者電動設(shè)備來獲得快速變化的溫度場。我們設(shè)計并制備了一種水汽驅(qū)動的自維持的熱釋電納米發(fā)電機,利用水蒸汽冷凝放熱和蒸發(fā)吸熱導(dǎo)致具有熱釋電性能的聚偏氟乙烯材料的溫度快速波動,不需要任何耗能設(shè)備即可獲得快速的溫度變化。該熱釋電納米發(fā)電機可以有效地收集環(huán)境中的廢熱,獲得高達145伏的輸出電壓,并可以持續(xù)驅(qū)動低功耗的電子器件,如電子表,并可以點亮發(fā)光二極管等。這一類能夠從環(huán)境中收集能量的柔性發(fā)電機有望作為柔性供能器件獲得應(yīng)用,也為收集環(huán)境中廢熱,比如工廠或者我們?nèi)粘Ｉ钪信懦龅膹U熱氣,提供了一種新的有效方式。
【學(xué)位授予單位】：中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2017
【分類號】：TQ317;TM53;TM31

【相似文獻】

相關(guān)期刊論文 前10條

1 盧利平;;封裝型交流納米發(fā)電機研制成功[J];功能材料信息;2008年Z1期

2 ;“只要能動,就能發(fā)電”華人科學(xué)家研制出纖維納米發(fā)電機[J];材料工程;2008年04期

3 ;美國華人科學(xué)家研制出“纖維納米發(fā)電機”[J];工程塑料應(yīng)用;2008年04期

4 ;美科學(xué)家開發(fā)活體肌肉伸縮帶動的納米發(fā)電機[J];材料工程;2009年03期

5 ;納米發(fā)電機:移動身體就可發(fā)電[J];現(xiàn)代職業(yè)安全;2009年05期

6 ;高性能納米發(fā)電機研究獲進展[J];技術(shù)與市場;2013年07期

7 王中林;;納米發(fā)電機作為可持續(xù)性電源與有源傳感器的商業(yè)化應(yīng)用[J];中國科學(xué):化學(xué);2013年06期

8 楊濤;;王中林小組開發(fā)出具有高電壓輸出的納米發(fā)電機[J];功能材料信息;2010年02期

9 趙安中;;王中林教授日前在東方科技論壇上再談納米發(fā)電機[J];功能材料信息;2006年04期

10 ;摩擦納米發(fā)電機輸出功率實現(xiàn)飛躍[J];功能材料信息;2014年02期

相關(guān)會議論文 前3條

1 ;中國研制成功水能摩擦納米發(fā)電機,可收集海浪能量![A];中國農(nóng)機工業(yè)協(xié)會風(fēng)能設(shè)備分會《中小型風(fēng)能設(shè)備與應(yīng)用》（2014年第3期）[C];2014年

2 王現(xiàn)英;程宏斌;鄭學(xué)軍;;基于ZnO納米線的微納能量轉(zhuǎn)換器件[A];第16屆全國疲勞與斷裂學(xué)術(shù)會議會議程序冊[C];2012年

3 江鵬;于愛芳;王中林;;垂直集成的氧化鋅納米發(fā)電機[A];2011中國材料研討會論文摘要集[C];2011年

相關(guān)重要報紙文章 前10條

1 記者 張忠霞;美國華人科學(xué)家發(fā)明交流納米發(fā)電機[N];新華每日電訊;2008年

2 張忠霞;封裝型交流納米發(fā)電機問世[N];中國石化報;2008年

3 記者 石玉平;我國研制出水能摩擦納米發(fā)電機[N];中國船舶報;2014年

4 通訊員 李崢;中科院研制成功“水能摩擦納米發(fā)電機”[N];中國電力報;2014年

5 李崢巍;我國研制成功水能摩擦納米發(fā)電機[N];中國海洋報;2014年

6 葛秋芳;借助納米發(fā)電機,心跳都能發(fā)電[N];新華每日電訊;2008年

7 記者 欒輝;中國科學(xué)家研制出纖維納米發(fā)電機[N];各界導(dǎo)報;2008年

8 本報記者 劉霞;納米發(fā)電機,小材有大用[N];科技日報;2010年

9 記者 劉霞;首個可商用的納米發(fā)電機問世[N];科技日報;2011年

10 記者媛媛;我市與美國新能源公司簽訂“納米發(fā)電機項目”合作協(xié)議[N];唐山勞動日報;2011年

相關(guān)博士學(xué)位論文 前10條

1 崔暖洋;壓電發(fā)電機與摩擦電發(fā)電機對環(huán)境中微弱機械能的收集[D];蘭州大學(xué);2015年

2 蘇元捷;摩擦納米發(fā)電機設(shè)計與制備及應(yīng)用研究[D];電子科技大學(xué);2015年

3 鄭有斌;基于納米發(fā)電機的完全自供能紫外探測系統(tǒng)[D];蘭州大學(xué);2015年

4 成立;基于納米發(fā)電機的自供能納米系統(tǒng)[D];蘭州大學(xué);2016年

5 黃濤;聚偏氟乙烯靜電紡納米發(fā)電機的制備、性能及應(yīng)用研究[D];東華大學(xué);2016年

6 顧隴;摩擦納米發(fā)電機在聲波能量收集中的應(yīng)用[D];蘭州大學(xué);2016年

7 梁齊杰;基于摩擦起電效應(yīng)的水流能量收集與振動傳感器件研究[D];北京科技大學(xué);2017年

8 張光杰;柔性復(fù)合壓電納米發(fā)電機的性能優(yōu)化與應(yīng)用研究[D];北京科技大學(xué);2017年

9 鎖國權(quán);摩擦壓電復(fù)合納米發(fā)電機的基礎(chǔ)研究及應(yīng)用[D];北京科技大學(xué);2017年

10 高鳳仙;柔性功能高分子材料及器件的設(shè)計與應(yīng)用[D];中國科學(xué)技術(shù)大學(xué);2017年

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前10條

1 何愷;PMN-PT納米線的水熱合成研究與柔性納米發(fā)電機的制備[D];江蘇大學(xué);2015年

2 岳旭樂;基于Ag納米線電極的ZnO納米管/PDMS介電膜納米發(fā)電機的研究[D];重慶大學(xué);2015年

3 冷強;基于熱釋電、摩擦電效應(yīng)的納米發(fā)電機及其應(yīng)用的研究[D];重慶大學(xué);2015年

4 賀顯明;基于PDMS復(fù)合膜的柔性摩擦電納米發(fā)電機的研究[D];重慶大學(xué);2015年

5 趙博;基于雙面微納尺度結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機的制備及其性能研究[D];蘭州大學(xué);2016年

6 胡彩霞;基于一致取向PZT納米線/PDMS壓電復(fù)合薄膜的納米發(fā)電機[D];蘭州大學(xué);2016年

7 王歡歡;Ba(Ti_(0.8)Zr_(0.2))O_3-x(Ba_(0.7)Ca_(0.3)TiO_3壓電材料的制備及減振與能量收集研究[D];東南大學(xué);2016年

8 程露;基于PDMS的柔性摩擦納米發(fā)電機的研究[D];重慶大學(xué);2016年

9 盧山;摩擦納米發(fā)電機的電源管理ASIC設(shè)計[D];重慶大學(xué);2016年

10 雷霽雪;基于氧化鋅納米棒的柔性壓電納米發(fā)電機研究[D];大連理工大學(xué);2016年

，

本文編號：1326022