PMN--PT纳米线的水热合成研究与柔性纳米发电机的制备

摘要

柔性纳米发电机通过压电效应收集环境中的机械能量并转化为电能，可用于驱动微纳型器件，实现器件自驱动化，对能源、电子行业都具有很大的吸引力。弛豫铁电体(1-x)Pb(Mg1/3Nb2/3)O3-xPbTiO3(PMN-PT)具有优异压电性能，是用来制备柔性纳米发电机的理想材料。本文采用低成本、低消耗、低污染的水热反应法制备了PMN-PT纳米线，通过流延法将PMN-PT纳米线与高分子材料聚偏氟乙烯(PVDF)复合，制备出了复合柔性纳米发电机。研究了水热反应过程中聚丙烯酸(PAA)浓度、水热反应温度及水热反应时间对产物形貌与微观结构的影响规律。采用X射线衍射仪、扫描电子显微镜、透射电子显微镜和X射线光电子能谱对PMN-PT纳米线的微观结构进行了表征;采用原子力显微镜对单根纳米线的压电性能进行了表征;使用标准铁电测试仪测量了单根纳米线的铁电性能;采用电子万能试验机检测了PVDF/PMN-PT复合薄膜的力学性能;采用Aglient4155C检测了PVDF/PMN-PT纳米发电机的能量输出。 研究表明，PAA浓度、水热反应温度和水热反应时间对PMN-PT纳米线的生长均有显著影响:PAA的加入会抑制纳米线其他方向的生长，使纳米线沿着特定取向生长;水热反应温度对PMN-PT纳米线晶核的形成具有决定作用;水热反应时间决定了反应进程。水热法制备PMN-PT纳米线的最优反应参数为PAA浓度0.82 g/L，水热反应温度235C，反应时间27 h。在此反应条件下，可以获得长度均匀、分散性良好的PMN-PT纳米线。这种PMN-PT纳米线物相均一、性能良好，单根纳米线的压电常数可以达到423 pm/V左右，矫顽电场为2.78kV/mm，剩余极化强度为17.08μC/cm2，自发极化强度为31.25μC/cm2，能量密度为18.70 J/cm3。研究结果还表明，PMN-PT纳米线的质量分数对PVDF/PMN-PT复合柔性纳米发电机的力学性能与电学性能有很大影响。当PMN-PT纳米线质量分数低于20％时，力学性能较好，输出电压可达20 V，输出电流可达60 nA;随着PMN-PT纳米线的质量分数进一步提高，力学性能和电学性能下降，PMN-PT纳米线质量分数的最优值为20％。经过整流电路整流后，纳米发电机的直流输出电压超过20 V，直流输出电流可达100nA以上，并且可以对电容器进行充电。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 引言

1．2 纳米发电机的工作原理

1．3 压电材料

1．3．1 镁铌钛酸铅压电材料

1．3．2 纤锌矿材料

1．3．3 PZT压电材料

1．3．4 压电高分子

1．4 纳米发电机的研究进展

1．4．1 ZnO纳米线发电机

1．4．2 薄膜发电机

1．4．3 纳米复合材料发电机

1．5 本课题的研究内容

第二章 实验方法

2．1 水热法

2．2 实验药品及设备

2．3 实验方案

2．3．1 PMN-PT纳米线的制备

2．3．2 单根纳米线检测器件的制备

2．4 形貌表征和性能测试方法

2．4．1 扫描电子显微镜(SEM)

2．4．2 透射电子显微镜(TEM)

2．4．3 X-射线衍射(XRD)

2．4．4 X-射线光电子能谱(XPS)

2．4．5 原子力显微镜(AFM)-压电性能检测

2．4．6 单根纳米线铁电性能测试

2．4．7 纳米发电机力学性能测试

2．4．8 柔性纳米发电机电学性能测试

第三章 水热法生长PMN-PT纳米线的研究

3．1 水热法生长PMN-PT纳米线工艺研究结果

3．1．1 不同PAA浓度对纳米线生长的影响

3．1．2 反应温度对PMN-PT纳米线形态的影响

3．1．3 水热反应时间对PMN-PT纳米线形态的影响

3．2 水热法生长PMN-PT纳米线的形态学特征研究

3．3 单根纳米线的性能研究

3．4 本章小结

第四章 纳米发电机的制备与性能分析

4．1 纳米发电机的制备方法

4．2 不同PMN-PT纳米线含量纳米发电机的力学性能与能量输出

4．3 PVDF／PMN-PT纳米线厚膜柔性纳米发电机

4．4 PVDF／PMN-PT纳米发电机充放电性能

4．5 本章小结

第五章 结论与展望

参考文献

致谢

攻读硕士学位期间所取得的成果