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电纺PVDF-SiC纳米能量收集器的制备及其结构依赖性压电性能

学术动态    2022-06-14 14:47

DOI: 10.1016/j.jallcom.2022.165505

 

不可否认,压电材料是现代最关键的先进材料之一,可用于能量采集器和传感器。在诸多此类应用中,柔性是保证设备适宜性能和耐用性的关键因素。聚偏氟乙烯(PVDF)是一种结构依赖性压电聚合物,其电活性β相结构可提供所需的柔性和压电响应。本研究旨在探究SiC添加剂和工艺参数对电纺PVDF纤维中β相形成的影响。为此,研究者采用静电纺丝法制备了PVDF/SiC纳米复合材料,并通过响应面法(RSM)进行实验设计,研究了PVDF溶液浓度、SiCwt%和静电纺丝电压对β相分数的影响。经扫描电子显微镜(SEM)观察,纤维呈现出均匀且无珠的形态。结果表明,在低PVDF浓度、高静电纺丝电压和高SiCwt%时可以获得最高的β含量。通过XRD分析确定主要结晶相,并利用FTIR光谱评估了含有不同SiC负载量的纳米复合材料中的β相分数。SiC纳米粒子的存在增强了PVDF/SiC纳米复合材料的压电性能,可归因于较高的β相分数以及半导体SiC纳米粒子附近电荷转移的增强。含有3.98wt%SiC纳米粒子的最佳样品由95.9%的β相组成,归一化压电灵敏度为0.4737mV/N,与纯PVDF纤维相比提高了约350%。总体而言,PVDF/SiC纳米复合纤维有望成为纳米能量采集器或对低外部载荷具有较高灵敏度的柔性传感器的理想选择。

 

图1.根据RSM实验设计制备的纳米复合纤维的SEM图像。

 

图2.静电纺丝制备样品的FTIR光谱。

 

图3.β相模型残差的正态图。

 

图4.β相扰动图。

 

图5.三维表面图表示β相含量与SiC百分比、PVDF溶液浓度和电压的函数关系。

 

图6.等值线图表示β相含量与SiC百分比、PVDF溶液浓度和电压的函数关系。

 

图7.优化样品的FTIR光谱。

 

图8.原始PVDF粉末和不同SiC负载量的纳米复合材料样品的XRD图谱。

 

图9.原始PVDF粉末和不同SiC负载量的纳米复合材料样品的DSC曲线。

 

图10.(a)所施加的力与时间的关系图(载荷传感器的输出结果),以及(b)-(e)纳米复合材料样品负载输出电压与时间的关系图。

 

图11.压电性能图。

 

图12.电纺PVDF纤维和PVDF/SiC纳米复合材料的应力-应变曲线。