基于Nafion有序电纺纤维的能量收集技术研究

摘要

随着低耗能电子设备发展以及无线传感器应用需求的迅速增长，从环境中收集能量替代传统电池的研究越发重要。IPMC(Ionic Polymer Metal Composites，离子聚合物金属复合物)是一种智能材料，当其发生变形时，会产生电信号，可应用于能量收集。传统IPMC能量收集的功率密度较低，本文采用静电纺丝方法，结合IPMC的能量收集原理，设计制备新型能量收集器件以提高能量输出。
　　本文解决了Nafion溶液不能纺丝的问题，优化得到纯度为99％的Nafion溶液;研究分析了Nafion溶液的近场射流行为;建立了滚筒收集转速、供液速度与纤维直径之间的理论模型;研究了不同极间距和不同针头内径下的纺丝启动电压规律;研究了电压、极间距、供液速度和滚筒转速对电纺稳定性、纤维直径、均匀性和沉积形貌影响规律。
　　根据电纺工艺规律，制备了Nafion有序纤维膜;设计了基于有序纤维膜的3D纤维柱能量收集器件，研究了纤维柱器件的制备工艺，并制备了3D弹性PDMS-Nafion纤维柱器件，对器件进行了吸水测试，证明器件具有吸水能力。
　　针对3D弹性PDMS-Nafion器件的能量输出性能进行测试。通过指压测试验证了器件能量输出的可行性;采用激振器变形测试研究了开路电压的变化规律;研究了器件串联负载电阻时负载分压和平均功率密度输出规律。本文研究对IPMC的能量收集应用具有推动作用。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 能量收集技术及器件

1．2 IPMC特性及其国内外研究进展

1．2．1 IPMC电致动特性及研究现状

1．2．2 IPMC能量收集应用研究现状

1．3 Nafion微纳纤维的优点及应用

1．4 目前存在的问题及主要研究工作

1．4．1 研究目标

1．4．2 本文研究内容

第二章 静电纺丝制备Nafion有序纤维

2．1 实验系统及主要仪器设备

2．1．1 实验系统组成

2．1．2 主要仪器设备

2．1．3 实验材料

2．2 Nafion溶液可纺性研究

2．2．1 Nafion溶液静电纺丝尝试

2．2．2 Nafion溶液掺杂PEO纺丝沉积行为

2．2．3 电纺溶液纯度和收集速度对纤维沉积的影响

2．3 Nafion溶液电纺工艺规律研究

2．3．1 启动电压

2．3．2 纺丝电压

2．3．3 供液速度

2．3．4 滚筒转速

2．3．5 极间距

2．4 本章小结

第三章 基于Nafion有序纤维的3D器件制备

3．1 器件设计及前期实验探索

3．1．1 PDMS弹性壳体结构设计

3．1．2 电极设计

3．1．3 不对称结构设计

3．2 不同配比PDMS弹性模量研究

3．3 3D弹性PDMS-Nafion器件制备工艺

3．3．1 弹性纤维柱结构制备工艺

3．3．2 电极制备

3．3．3 3D弹性PDMS-Nafion纤维柱与IPMC结构对比

3．3．4 3D器件吸水测试

3．4 本章小结

第四章 3D弹性能量收集器件性能测试

4．1 器件结构及尺寸

4．2 实验测试系统

4．3 开路电压测试

4．3．1 指压变形测试

4．3．2 激振器施加变形测试

4．4 负载特性测试

4．5 输出功率密度

4．6 与传统IPMC的能量输出对比

4．7 本章小结

第五章 总结与展望

5．1 论文总结

5．2 工作展望

参考文献

致谢

攻读硕士期间取得的科研成果