本文關鍵詞：靜電紡壓電納米纖維膜在聲電轉換器件中的應用研究　出處：《東華大學》2017年博士論文　論文類型：學位論文

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【摘要】：聲電轉換器件按照應用領域不同主要分為檢測記錄聲音的聲傳感器和將聲能轉換成可利用的電能的聲發(fā)電機。在聲電轉換裝置中,以壓電效應為作用原理,以柔性壓電聚合物為傳感材料的壓電式聲傳感器和聲發(fā)電機以其柔韌性、易加工、易成形、可制成各種尺寸,適用于各種應用場合,耐久性好等特點得到各領域廣泛的應用與研究。然而,應用于聲電轉換領域中的商業(yè)壓電膜器件的性能并不完善,輸出電壓和能量均較小。此外,商業(yè)壓電膜的生產工藝較為復雜,成本高,導致壓電膜價格昂貴。靜電紡工藝可制備具有高β晶型相對含量高壓電性的PVDF及P(VDF-TrFE)壓電納米纖維膜。目前,對于靜電紡PVDF及P(VDF-TrFE)納米纖維的工藝的研究已經較為成熟,然而,對于靜電紡PVDF及P(VDF-TrFE)納米纖維的應用主要為壓力傳感器和壓力或拉伸力作用下的納米發(fā)電機,在聲學領域的應用鮮有報道。本文制備了基于靜電紡PVDF和P(VDF-TrFE)壓電納米纖維膜的高性能聲傳感器和聲發(fā)電機,具體研究內容如下:(1)聲電轉換性能測試裝置的搭建與評價體系的建立搭建聲電轉換性能的測試裝置與信號處理方法如下:連接電腦的揚聲器作為聲源,聲音測試軟件控制聲音的頻率,分貝儀測試聲壓大小,電化學工作站采集通過電極引出的電信號,得到的信號通過快速傅里葉變換的數學方法分析信號的頻域特征,并對信號進行除噪處理。聲電轉換性能的評價體系建立如下:聲傳感器的主要性能評價指標為輸出電壓、信噪比和靈敏度,聲發(fā)電機的主要性能評價指標為最大輸出電壓、最大輸出電流、內阻、瞬時功率、瞬時功率面密度、瞬時功率體密度、功率、能量和能量轉換效率。(2)研制基于靜電紡壓電納米纖維膜的高性能聲傳感器為了摸索高性能傳感器的結構和參數,首先設計制備了聲傳感器雛型,即利用靜電紡pvdf壓電納米纖維膜作為感芯材料,與鋁箔電極及振動基底構成的聲傳感器件。聲傳感器雛形的輸出信號較小,信噪比低,因此選擇輸出電壓和輸出信號的信噪比兩個評價參數綜合評價聲傳感器性能。通過探索器件的各部分參數,如振動基底材料、器件尺寸、電極材料尺寸等對器件性能的影響,對傳感器的結構進行優(yōu)化,得到最優(yōu)的結構參數:振動基底材料為雙面塑料膜;傳感器的尺寸為16cm2,長寬比為1:1;電極尺寸為16cm2。分析可能導致輸出信號小的原因為器件的封閉性結構,電極的選擇以及器件的單支架測試固定方式。針對這幾點不足,提出了相應的改進方法:在振動基底上設計通孔結構,在振動基底內層鍍金代替鋁箔作為電極,并采用了雙支架的測試固定方式。改進后的靜電紡壓電納米纖維膜聲傳感器性能得到很大提升,通過研究傳感器振動基底的通孔尺寸、納米纖維膜的面積和厚度、納米纖維直徑以及納米纖維的排列狀態(tài)對傳感器電壓輸出和靈敏度的影響,優(yōu)化傳感器結構以及納米纖維膜的參數。優(yōu)化后的參數如下:帶有通孔直徑為12.8mm的pet塑料振動基底,納米纖維膜厚度為40μm,尺寸為3cm×4cm,納米纖維平均直徑為310nm。優(yōu)化參數后的聲傳感器性能優(yōu)異,測得的最高靈敏度和電壓輸出分別為266mv/pa和3.10v,比相同結構的商業(yè)壓電膜傳感器高五倍以上,可以準確區(qū)分中低頻區(qū)域的聲波。同時演示了使用高性能壓電納米纖維膜聲傳感器記錄人說話聲音和播放的音樂的應用實例,得到的信號與商業(yè)麥克風記錄的信號基本一致。由于納米纖維膜傳感器在聲壓高于100db具有較高的靈敏度,因此尤其適合用于噪音的監(jiān)測。(3)基于靜電紡壓電納米纖維膜的高性能聲發(fā)電機通過進一步改進聲傳感器的結構,制備了基于p(vdf-trfe)壓電納米纖維膜的聲發(fā)電機,制備的聲發(fā)電機可以將聲能轉換成可利用的電能,研究振動基底上通孔的數量、膜的厚度和納米纖維直徑對于器件內阻、輸出電壓和電流的影響,優(yōu)化了器件結構和納米纖維膜的參數:8孔器件,孔直徑為4.9cm,膜厚度為20μm,納米纖維直徑為240nm。優(yōu)化后的聲發(fā)電機件具有優(yōu)異的聲電能量轉換性能,尤其當聲壓高于100db時可以輸出更多的電能。器件的最大輸出電壓和電流分別為14.5v和28.5μa,功率體積密度為306.5μw/cm3,能量轉換效率為60.3%,比商業(yè)的p(vdf-trfe)壓電膜制成相同結構的器件的輸出高五倍以上。器件轉換的電能可以不需要使用任何能量收集裝置直接用來驅動微電子器件,如點亮若干串聯的led小燈泡照明,也可以用來誘發(fā)電化學反應,如驅動edot的電化學聚合和金屬的陰極保護電化學防腐。這些優(yōu)異的性能使得靜電紡p(vdf-trfe)納米纖維膜聲發(fā)電機特別適用于將白色污染噪音轉換為可利用的電能的應用場合。(4)聲電轉換器件在聲音作用下振動的有限元模擬為了探究器件結構對于聲電轉換性能的影響,利用有限元建模分析軟件COMSOL對器件在聲音中的振動進行了模擬與計算。分別模擬計算了8孔器件和單孔器件的納米纖維膜中心點振動,器件振動的平均速率、器件表面的振動能量、器件的整體振動能量,同時也模擬計算了塑料膜上孔之間距離對整體振動能量的影響。通過模擬計算的數據與激光振動儀測試的器件的振動情況來分析器件結構對于器件輸出性能的影響機理。模擬計算的結果為在高聲壓作用下(100~115dB),8孔器件的納米纖維膜和PET塑料膜的振動能量均明顯高于單孔器件;而在低聲壓作用下(60~100dB),兩者差距較小。因此在低聲壓時,兩種器件的電能輸出差別較小;在高聲壓時,8孔器件的能量輸出明顯高于單孔器件的能量輸出。多孔結構起到了帶動整個器件振動的效果,增加了器件吸收聲能轉化成自身的振動能量,從而通過壓電效應將更多的機械能轉化為電能輸出,提高能量轉換效率。
[Abstract]:In accordance with the different application fields, the acoustic transducer is divided into the sound sensor that detects and records the sound and the sound energy is converted into the available electric energy. In the acoustic electric conversion device, using piezoelectric effect principle, the flexible piezoelectric polymer sensing material piezoelectric acoustic sensor and sound generator with its flexibility, easy processing, easy forming, made of various sizes, suitable for a variety of applications, has good durability and other characteristics in various fields widely application and research the. However, the performance of the commercial piezoelectric film devices used in the field of acoustic and electrical conversion is not perfect, and the output voltage and energy are small. In addition, the production process of the commercial piezoelectric film is more complex and the cost is high, which leads to the high price of the piezoelectric film. PVDF and P (VDF-TrFE) piezoelectric nanofibrous membrane with high high pressure of high beta crystal content can be prepared by the electrospun process. At present, the electrospun PVDF and P (VDF-TrFE) technology of nano fiber has been more mature, however, the electrospun PVDF and P (VDF-TrFE) is the main application of nano fiber nano generator effect of pressure sensor and pressure or tensile force, the application is rarely reported in the field of acoustics. The preparation of electrospun PVDF and P (VDF-TrFE) based on high performance acoustic sensor and sound generator piezoelectric nano fiber membrane, the specific contents are as follows: (1) to build and establish the evaluation system of the following set up a test device and signal processing method of acoustic electric conversion properties of acoustic electric conversion performance testing device connected to the computer: the speaker as a sound source, sound control software test frequency, test pressure decibel meter size, electrochemical workstation to collect the electrical signals through the electrode leads, the frequency characteristics of the signal analysis signal through the mathematical method of fast Fu Liye transform, and the signal denoising processing. The evaluation system of sound power conversion performance is established as follows: key performance index for acoustic sensor output voltage, signal-to-noise ratio and sensitivity, key performance index for sound generator for maximum output voltage, maximum output current, internal resistance, instantaneous power, instantaneous power surface density, instantaneous power density, power, energy and energy conversion efficiency. (2) based on the development of high performance piezoelectric acoustic sensor of electrospun nanofibrous membrane in order to explore the structure and parameters of the high performance of the sensor, the first prototype design acoustic sensor was prepared by electrospinning PVDF piezoelectric nano fiber membrane as core material, acoustic sensor elements and aluminum foil electrode and substrate vibration. The output signal of the acoustic sensor is small and the signal-to-noise ratio is low. Therefore, two evaluation parameters of output voltage and signal to noise ratio of output signal are selected to evaluate the performance of acoustic sensor comprehensively. Through the parameters to explore devices, such as the impact of vibration of base material, the size of the device, the electrode material size on the performance of the device, the structure of the sensor is optimized to get the optimal structure parameters: vibration base material double-sided plastic film; the size of the sensor is 16cm2, the ratio of length to width is 1:1; the electrode size is 16cm2. The reasons for the small output signal are the closed structure of the device, the selection of the electrode and the single stent test fixed mode of the device. Aiming at these shortcomings, the corresponding improvement method is put forward: the design of the through-hole structure on the vibrating substrate, the inner layer of the vibrating base is plated with gold instead of the aluminum foil as the electrode, and a double bracket test fixing method is adopted. Electrostatic spinning improved piezoelectric acoustic sensor properties of nano fiber membrane have been greatly improved, through the arrangement of hole size, vibration sensor research base nano fiber membrane area and thickness, the diameters of nanofibers and nano fiber effect on the sensor output voltage and the sensitivity of the parameter optimization of sensor structure and nano fiber film. The optimized parameters are as follows: the pet plastic vibration substrate with a diameter of 12.8mm through the hole, the thickness of nanofiber membrane is 40 m, the size is 3cm * 4cm, and the average diameter of nanofiber is 310nm. The optimized sensor has excellent performance, and the highest sensitivity and voltage output are 266mv/pa and 3.10v, which is five times higher than that of the same commercial piezoelectric membrane sensor. It can distinguish the sound waves in the middle and low frequency region accurately. At the same time, we demonstrate the application of high performance piezoelectric nanofiber membrane acoustic sensor to record human voice and play music. The obtained signal is basically consistent with the signal recorded by commercial microphone. As the nanofiber membrane sensor has high sensitivity in sound pressure higher than 100dB, it is especially suitable for noise monitoring. (3) based on electrospun piezoelectric nano fiber membrane high performance acoustic generator by further improving the structure of acoustic sensor, were prepared based on P (VDF-TrFE) acoustic generator piezoelectric nano fiber membrane, preparation of the acoustic generator can converts sound energy into usable electrical power, influence of thickness quantity, through hole research the vibration of substrate film and nano fiber diameter on the device resistance, output voltage and current parameters, device structure and nano fiber membrane were optimized: 8 hole devices, hole diameter is 4.9cm, the film thickness is 20 m and the diameter of 240nm nanofibers. The optimized acoustic generator has excellent acoustic and electrical energy conversion performance, especially when the sound pressure is higher than 100dB, more power can be output. The maximum output voltage and current of the device are 14.5V and 28.5 a, respectively. The power volume density is 306.5 w/cm3, and the energy conversion efficiency is 60.3%. The output of the device with the same structure is five times higher than that of the commercial P (VDF-TrFE) piezoelectric film. The power conversion device may not need to use any energy collection device is directly used to drive microelectronic devices, such as some light series LED small bulb, can also be used to induce electrochemical reaction, such as cathodic protection electrochemical electrochemical polymerization of EDOT driver and metal corrosion. These excellent properties make the static electricity
【學位授予單位】：東華大學
【學位級別】：博士
【學位授予年份】：2017
【分類號】：TQ340.64

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本文編號：1339277