无铅压电复合材料的仿生多孔结构能量收割器外文翻译资料

 2022-01-07 09:01

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无铅压电复合材料的仿生多孔结构能量收割器

张勇，孙华军

（武汉理工大学建筑硅酸盐材料国家重点实验室，武汉430070）

摘要：基于弹性复合材料的压电能量采集技术是非常希望启用广泛的设备应用程序，包括自供电可穿戴电子设备、机器人皮肤和生物医学设备。最近开发的压电复合材料是以无机压电填料和聚合物为基体的矩阵充分利用了这两个分量。然而，仍然有一些限制如向压电元件传递的应力较弱，填料的弥散性较差矩阵。本文介绍了一种高强度压电复合能量采集器(PCEH)利用三维电陶瓷骨架，通过模拟仿造海茯苓建筑。这种新的机械增强PCEH是演示了解决以往报告常规的问题压电复合材料反过来又能获得更强的压电能量响应。产生的电压、电流密度和瞬时功率密度的仿生PCEH器件高达sim;16倍的功率输出传统的随机分散粒子基PCEH。这项工作进一步扩大高输出弹性压电复合材料能量采集与仿生结构传感器应用的研究进展。

关键词：采购产品仿生，能量收集，多孔材料，压电复合材料，无铅，海绵，生物材料

1背景部分

大规模的能源生产技术，例如，风车，地热，核能，生物质能，太阳能板，以此类推，输出功率为千瓦或兆瓦级是否已成功开发以缓解能源短缺问题和环境问题。然而，这些方法不适合支持众多的泛在和便携式电子设备，因为有无数的移动设备，可穿戴和生物植入电子系统的一种状态未来的阿特传感器网络在每个电子元件上都是分开的节点。因此，设备级能量收集技术对于微瓦到毫瓦的规模发电都有吸引了众多研究者的兴趣，其次是快速压电、热电、摩擦电的发展光伏在各种能源中，机械式活动，机器振动，汽车运动，声波等)是周围最丰富的不受时间、地点的限制。这样,压电材料和机械扫气装置人们非常需要能源和发电由于其固有的力-电转换特性和机械鲁棒性。因此，各种类型的压电式能量收割机和纳米发电机已经出现为可穿戴或生物医学设备收集能量而开发的在各种压电能量采集器中，压电复合材料是其中的一种能源收割机(PCEHs)具有很高的吸引力因其新颖而受到学术界和工业界的关注具有经济、可扩展、高效的性能，以及Park等人首次提出的力学弹性性能在2012年演示了弹性PCEHs,常规PCEHs对于PCEHs的方法一般采用钙钛矿压电粒子作为有源压电材料材料和弹性聚合物、聚二甲基硅氧烷(PDMS)]作为弹性矩阵。因为是可行的最后对PCEHs的柔性应用进行了研究用了好几年各种各样的材料。然而, PCEHs的关键缺点仍然是效率低下软基体的应力传递能力。请注意压电陶瓷颗粒在软聚合物中类似于石头水。即使只有一个拍打水面石头受到的力很小。非齐次压电粒子在基体中的分布也为关键的问题。这些缺点的传统弹性PCEHs严重限制了压电材料的能量获取性能和效率。

三维(3D)骨骼特征的天然种的结构具有较高的韧性和体面的柔软。根据上述陈述，有效的应力传递效率和均匀分散填料是高性能弹性PCEHs的两个主要因素哪些与多孔菌的特殊性质相对应结构。在本研究中，我们提出了一种新的PCEH方法该装置由三维压电陶瓷骨架构成最初的灵感来自于天然的海茯苓。海绵动物是利用牺牲支架，可方便地制作三维骨架具有简单的溶胶-凝胶溶解过程。后渗透软聚合物基质，仿生PCEH研制成功了一种提高能量采集能力的装置弹性压电复合材料的性能。与传统的随机分散颗粒相比压电复合材料，很大一部分外部应用可以有效地施加应力，并将应力分布在活性体上由于压电陶瓷填充体的三维纤维框架结构，虽然弹性性能相当维护。传递的应力和产生的应力的量并通过数值计算对压电体进行了仿真。这种应力传递增强的PCEH装置得到了改进能量收集性能，因为净施加压力对仿生PCEH的三维压电陶瓷骨架具有重要意义比传统的压电陶瓷颗粒要高PCEH。电压、电流密度和功率密度由仿生PCEH产生的ph值高达sim;23v，sim;350 nA·厘米minus;2,比常规发电高出一倍随机分散粒子PCEH。我们的仿生和三维骨架压电复合材料的生物模板结构为使用elastic的各种应用程序提供了一个新的范例以及高性能压电器件。

2实验部分

2-1 0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3minus;0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3凝胶的合成

醋酸钡(Ba(CH3COO)2，99%)一水合醋酸钙(Ca(CH3COO)2·H2O, 99%)，锆酸盐-(IV)丙氧化物溶液(1-丙醇中70% wt %)、钛(IV) nbutoxide(C16H36O4Ti, 99%)和冰醋酸(CH3COOH，99%)由Sigma-Aldrich公司提供。PDMS (Sylgard 184)为从道康宁公司购买。醋酸钡和醋酸钙一水合物在80°C冰醋酸中溶解3 h。丙氧锆(IV)溶液和正丁氧钛(IV)溶液混合了半个小时。然后，将两种混合物混合形成透明的黄色溶胶-凝胶。浓度是最后调整为0.1 M。

2-2 由海茯苓属植物制备定向的BCTZ仿生三维骨架结构的压电陶瓷。

自然海海绵动物门首先用缓冲液冲洗海绵氧化腐蚀剂、去离子水和冰川醋酸连续几次去除矿物杂质和污染。在真空烤箱中60°C烘干2小时后，清洗后的多孔菌在紫外线/臭氧照射下处理室用乙醇-(3-氨基丙基)三乙氧基硅烷静置30分钟蒸汽。在此基础上，对天然海茯苓进行了彻底浸渍BCTZ索尔minus;凝胶的解决方案。在60℃下充分挤压干燥1次除去多余的溶剂。最后，用溶胶-凝胶法浸渍多孔菌在1200℃的箱式炉中连夜煅烧，以构建三维骨架压电陶瓷。在煅烧过程中，海茯苓用作生物燃料，并逐渐燃尽。与此同时,将吸附在多孔菌模板上的溶胶-凝胶转化为保留了BCTZ陶瓷的三维形貌。

2-3 仿生PCEH的准备。

底与底之比固化剂，按重量（10:1)弹性体树脂被渗透到真空下的仿生三维骨骼BCTZ压电陶瓷在室温下固化2小时。的将纳米线油墨滴铸并烘干两侧的压电复合块(1 cmtimes;1 cmtimes;0.2 cm拟合)压力机的拉链)形成顶部和底部电极。我们选择电极材料，因为它是耐用的弹性设备的身体。16铜缆布线后，压敏复合材料为

被电场极化的

2.4 BCTZ粒子与常规PCEH的制备控制测试。

采用固相法合成了BCTZ粒子方法。设计了醋酸钡的化学计量值一水合乙酸钙溶于DI水中，温度为100℃(称为溶液1)丁氧钛和丁氧锆在80℃乙醇中混合(称为溶液2)，溶液2为氢氧化铵溶液水解(Sigma-Aldrich)由于沉淀物呈乳白色。然后,将溶液1混合到水解溶液2中，然后加热至100℃，直到所有溶剂全部蒸发。结果收集白色粉末块，用球研磨铣削，然后在1200℃煅烧。随机分散的以相同的重量制备了颗粒基压电复合材料(即百分比。BCTZsim;20 wt %)的粒子(直径:1minus;5mu;m)作为对照组。

2.5 力学实验与计算模拟Piezocomposites的行为。

应力-应变曲线为采用动态力学分析仪(DMA, RSA-G2, TA)测定仪器)。样品最初安装在顶部和之间DMA底部夹具，样品上没有预应力。在测量过程中，试样的应力应变速率为机械断裂前为0.5%·s - 1。杨氏模量是由弹性变形周期与平均边坡的关系。来对三维骨架和随机分散粒子进行建模压电复合材料，我们使用可视化工具包库和带有一些默认参数的有限元方法(FEM)代码。尺寸是100mu;mtimes;100mu;mmu;mtimes;100。的介电常数PDMS值为2.5,BCTZ值为3000。的d33将BCTZ的压电系数固定为1400 pC/N取上一份报告的平均值。应变条件为sim;6%。应该注意的是，一个相关的结果是重要的比较模拟了两个复合系统。

2.6 能量收集输出的测量

在输出过程中，从PCEH器件产生电气输出信号重复按压和释放动作测量静电计单元和一个定制的程序。一个设计的工作台控制定压(最大负载压力约200 kPa)。代表信号在最大值下测量峰值。测量在法拉第笼中进行，以最小化外部伪迹信号。

3.结果与讨论

介绍了仿生PCEH的制备工艺方案设备如图1a所示。我们选择了巴戟天作为研究对象天然海茯苓，因为它可以很容易地捕捉到许多浅海海洋领域。它作为牺牲生物模板以及三维骨骼最终形态的决定因素压电陶瓷(图1a左侧面板)。尽管值得注意的压电性能的铅基材料与铅、钛类似，它们不应用于各种用途由于铅的毒性而相关中毒。铅会引起严重的长期疼痛即使是少量积累也会中毒。因此,研究了多种无铅压电陶瓷高性能的属性。采用BCTZ进行激活压电材料由于PCEH器件的组成是一种无铅高压电钙钛矿陶瓷。29、30将一片多孔菌体浸入其中合成BCTZ溶胶-凝胶溶液。挤湿后试样在1200℃煅烧结晶。因为多孔支架的大开口结构，高度3D可以制作BCTZ压电陶瓷的骨架图1a的中间面板)。接下来，弹性矩阵(PDMS)很容易被穿透到BCTZ的三维骨架中在低压室中浇注可固化PDMS树脂至消除不需要的气泡(图1a的右面板)。更多关于仿生制造过程的细节实验部分介绍了PCEH器件支持信息。仿生压电陶瓷的图片如图所示1 b。插图是整个海茯苓，这是用来在这工作。它们的宏观结构非常相似，表明无严重的体积收缩在这个生物模板化过程中。x射线衍射(XRD)图谱清晰地显示了一种纯钙钛矿结构无杂质结晶或非晶态的BCTZ，如如图1c所示。进一步表征的相状态采用BCTZ压电陶瓷拉曼光谱法(图1 d)。B1模的拉曼位移带 300cmminus;1和高频纵向光学模式atsim;700 cmminus;1证实了主要正方体的存在钙钛矿阶段。此外，正方共存相和菱面体相表现为加宽拉曼模的强度，称为形态性相界面。

图1所示

(a)制造过程示意图仿生三维骨骼压电陶瓷及其相关压电复合材料能量采集装置。(b)数码相机拍摄的仿生压电陶瓷(插图:全天然海孔)。(c)仿生材料的XRD图谱和(d)拉曼光谱压电陶瓷。(e)纯溶胶-凝胶溶液的TGA曲线，原始天然海孔珊瑚，以及溶胶-凝胶溶液浸泡的孔珊瑚支架样本(混合)。）

]

多孔支架的煅烧过程去除和陶瓷结晶是同时完成的，的成功筹备起着至关重要的作用三维压电陶瓷骨架，无塌陷裂缝。纯BCTZ的热重分析(TGA)结果溶胶-凝胶溶液，原始的天然海茯苓，和BCTZ溶液浸渍多孔菌模板(描述为混合型)如图1e所示。溶胶-凝胶的热解以前也发生过400℃，对应的温度范围为以海孔菌分解为骨架模板。在多孔支架的温度范围为400-700℃逐渐烧尽，而溶胶-凝胶则转变为三维框架压电陶瓷由固态传输。利用该方法研究了天然多孔菌的显微结构扫描电镜(SEM)图像见图2a。的海孔的纤维结构是三维的骨骼结构为有机支架，纤维直径约为10-20mu;m(图2b的插图)。图2b为SEM图像经煅烧后的仿生压电陶瓷，表明海孔鱼的三维骨架结构较为复杂良好的保留为最后煅烧的仿生BCTZ压电陶瓷，符合生物模板工艺设计。BCTZ陶瓷的晶粒尺寸约为1minus;5mu;m,如图2b插图所示。粒度尺度为有利于优化压电响应。另外,经煅烧的BCTZ骨架的直径与原始的海孔费拉，这意味着没有严重的显微结构的波动。能量色散谱(EDS)元素映射证实了稳定性和齐次性三维骨架BCTZ的化学成分整个流程(图2c)。如图2d所示，扫描电镜的横截面图像弹性PDMS渗透后的仿生压电复合材料清楚地揭示了三维骨架BCTZ的均匀分布在PDMS基体中贯穿整个厚度。有BCTZ骨架与PDMS基体之间无严重空洞间隙，可以排除摩擦电效应。31 . aBCTZ颗粒在弹性体基体中的严重聚集在传统的颗粒基压电复合材料中观察到吗(图2d插图)此外，BCTZ粒子为不受欢迎地堆积在复合材料的底部由于重力作用，PDMS在完全固化前。因此，三维骨架结构的构建是保证两相结构的均匀分布。在传统的颗粒基,粒径控制在1minus;5mu;m对两种不同的压电复合材料进行了比较S1)。图2e,f为应力-应变关系，杨氏关系模为纯PDMS矩阵，随机分散颗粒基复合材料和仿生多孔三维骨骼。随机分散的颗粒复合材料具有类似的力学性能纯PDMS矩阵，可拉长到大于100%没有骨折。纯PDMS的杨氏模矩阵和随机分散粒子复合材料为估计分别为0.75和1.10 MPa左右。

图2所示

(a)海孔蕨微观结构SEM图像(插图:放大扫描电镜显示海绵蛋白纤维单位)。

(b)扫描电镜图像煅烧后的仿生三维骨压陶瓷(插图:放大的SEM)

(c)元素的EDS映射仿生3 d-skeletal压电陶瓷。

(d)横截面扫描电镜所制备的仿生压电复合材料的图像弹性体基体进入三维骨架BCTZ(插图:横断面传统颗粒基压电复合材料的SEM图像)。

(e)纯弹性体的应力-应变曲线和

(f)杨氏模量基体、颗粒基压电复合材料和三维骨架压电复合材料[插图:基于粒子的P - E滞后曲线(蓝色)和仿生结构(红色)压电复合材料

随机分散粒子的杨氏模量复合材料表明，大部分的外部施加应力被PDMS矩阵吸收和缓冲。相比之下,仿生三维骨骼压电复合材料的力学断裂应变为sim;65%。仿生的杨氏模量压电复合材料约为2.2 MPa。预计外加应力可以更有效地传递到三维骨骼压电陶瓷通过全连接陶瓷的架构。应该注意的是骨折仿生三维骨骼压电复合材料的应变仍然很大大于纯压电陶瓷(sim;0.3%)，即33与一般压电陶瓷相比，它仍然具有很大的弹性板。如图2f插图所示，偏振-测量了电场(P - E)滞回曲线比较仿生三维骨骼的铁电性质压电复合材料和随机分散的颗粒为基础piezocomposite。正如我们所料，仿生复合材料铁电滞回现象是否高于随机现象颗粒复合因为3d骨骼压电陶瓷可以在复合材料中表现出更有效的铁电现象，克服PDMS矩阵的干扰。我们模拟了机械应力的分布根据压电势

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资料编号：[1953]

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