压电纳米纤维在能量清除上的应用外文翻译资料

 2022-08-10 04:08

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压电纳米纤维在能量清除上的应用

Jiyoung Chang, Michael Dommer, Chieh Chang, Liwei Lin

关键词:纳米发电机;能源收集;PVDF;压电材料纳米纤维

1.简介

压电发电机可以通过纳米纤维从环境中清除机械能,来成为适用于各种电气设备和系统的可扩展电源。本文重点介绍了纳米纤维发电机的最新进展,讨论了它们的操作原理,并解决了包括能量转换效率和实验表征过程中可能出现的虚假伪影在内的性能问题。压电纳米发电机由PVDF(聚偏氟乙烯)或PZT(锆钛酸铅)制成,通过常规、改性或近场静电纺丝(N FES)等静电纺丝工艺进行制备。并利用XRD(X射线衍射)、FTIR(傅里叶变换红外)、SHG(二次谐波产生)、PFM(压电响应力显微镜)和拉曼光谱等工具对制备的纳米纤维进行了材料和结构分析,从而获得压电纳米纤维的基本表征。我们总结了这份报告,包括大功率纳米发电机、储能/调节系统和压电的基本原理等内容,进而突出了最近的纳米发电机的发展和未来的前景。

2.导言

经过几十年对便携式和无线设备小型化的发展,可充电电池以外的新电源已成为当前和未来独立设备和系统的重要课题。具体来说,理想的电源应该是可扩展的,以满足各种便携式设备的电力需求,而不需要充电过程或更换。最近在纳米材料领域的工作表明,通过清除来自环境环境(太阳能、热、机械振动等)的能量,在自助能源方面取得了相当大的进展。特别是使用纳米材料制备压电发电机来收集机械能的稳健、简单解决方案,引起了许多人的关注。最早的一种纳米发电机,乃是通过将可能的能量清除应用的机械应变利用压电氧化锌(ZnO)纳米线,通过将它们的半导体和压电性能耦合,可以使机械应变转化为电能。

近年来,许多研究小组在使用具有不同结构的纳米发动机领域取得了成果,包括:膜基、纳米线基和纳米纤维基纳米发电机。基于薄膜的纳米发电机通常是通过自旋或薄膜沉积方法制造。薄膜结构的弯曲、振动或压缩而产生的机械应变可以成为产生能量的来源。纳米线基纳米发电机通常由半导体材料制成,如ZnO,Zn S,GaN或CdS。这些压电纳米线已经被证明可以在被AFM尖端之字形电极或柔顺的基板机械拉伸时产生电势,并将机械能转化为电能。第三组纳米发电机是基于纳米纤维,通常是由压电材料如PZT或PVDF的电自旋过程构建的。PZT是一种具有优异压电性能的陶瓷材料,最近才被应用于基于纳米纤维的能量收割机。大多数PZT基能量收割机具有薄膜结构,包括典型的具有证明质量的悬臂结构设计。

PZT纳米纤维纳米发电机应用的关键瓶颈有两个。第一,高温度退火(gt;600C)一般需要到提高PZT的压电性能。第二,静电纺丝工艺要求PZT与溶剂混合,从而降低了PZT在纳米纤维中的密度,降低了整体能量转换效率。本文对基于纤维的纳米发电机进行了综述,并对基于薄膜的PZT纳米发电机进行了讨论。另一方面,由聚合物PVDF制成的有机纳米纤维被研究为纳米发电机。与上述纳米材料相比,PVDF纳米纤维在柔韧性、轻质性、生物相容性和超长长度、不同厚度和形状的可用性方面具有独特的良好兼顾,使其成为可穿戴和/或植入装置中能量收集应用的有效候选材料。

本文重点研究了压电纳米纤维作为薄膜或纳米线基纳米发电机的制备工艺,在几篇综述论文中对其制备工艺进行了广泛的讨论。此外,电纺压电PVDF纳米纤维是目前研究最广泛的压电纳米纤维纳米发电机的主要材料。由于制作PVDF纳米纤维的关键制造方法是静电纺丝工艺,因此本综述中的一个关键部分描述了静电纺丝工艺的细节,以使压电纳米纤维纳米发电机的制造产量、可伸缩性和成本效益。

3.使用纳米纤维纳米发电机的能量发展

陶瓷PZT和聚合物PVDF是两种压电材料,已被证明是可行的纳米纤维纳米发电机材料。在这些努力中,近场静电纺丝(NFS)或传统的远场静电纺丝(FFS)工艺一直是制备纳米纤维的关键制造工具。对于NFES工艺,可以可控的方式沉积连续的单个纳米纤维,而FFES工艺可以在大面积上产生致密的纳米纤维网络,用于纳米发生器演示。一般来说,在中等温度下制备具有压电性能的材料时,需要一种由电极化和机械拉伸组成的极化工艺。考虑到静电纺丝过程的高静电场和聚合物射流特性,静电纺丝非常适合通过原位电极化和机械拉伸生产压电纳米纤维。在这里,本文描述和讨论了由PVDF和PZT制成的纳米纤维纳米发电机的关键成就。

图1 (a)显示PVDF的晶体结构:(顶部)非极性a相和(底部)极性b相。非极性a相PVDF中的偶极子可以通过电非场拉伸和定向,在电极化和机械拉伸下成为极性b相结构。(b)为PZT晶体结构的示意图。PZT的极化可以使Zr/Ti原子上下移动,并在施加和去除压电特性的外加电场后保持其位置。

与其他类型的高分子材料相比,PVDF由于其极性晶体结构而具有更好的压电性能。在性质上,PVDF聚合物由至少五种不同的结构形式组成,这取决于反式(T)和切(G)键的链构象。图1(a)显示了a和b相的结晶结构,其中a相在自然界中最为丰富,b相则是PVDF的大部分压电响应的原因,因为它的极性结构与取向氢和氟化物(CH2-CF2)单元电池以及碳骨架。为了获得b相PVDF,在制造过程中需要电极化和机械拉伸过程,以使结晶PVDF结构中的偶极子对齐,如图1所示。

PZT是另一种良好的压电材料,其晶体结构如图1(b)所示,PZT电极化可以使Zr/Ti原子向上/向下移动,并在施加和去除外加电场后保持其位置和压电性能。与用于传感、驱动和能量收集应用的其他压电材料相比,PZT在其体积或薄膜格式中可以产生更高的电压。作为一种陶瓷材料,与有机PVDF相比,块状PZT更脆弱,但在纳米线形式上表现出了很好的机械强度。

4.排列良好的PVDF纳米纤维纳米发电机

在典型商用压电PVDF薄膜的生产过程中,在较高的温度下施加了较高的电势和机械拉伸,用来增强压电。传统静电纺丝工艺制备的PVD F纳米纤维在较高的偏置电压(lt;10kV)下,可以对一些非极性材料进行从a相结构到极性b相结构的转化。近场静电纺丝(NFES)工艺如图2(A)所示。还具有固有的高电场,具有原位机械拉伸,以便偶极子沿着纳米纤维的纵向排列。

图2 (a)近场静电纺丝过程示意图,显示可能的偶极子方向(黑色箭头)和电场方向(红色箭头)。PVDF聚合物溶液在纳米纤维形成过程中经历了机械拉伸和原位电极化,这是由于纳米纤维向衬底的高静电场所致。(b)在两个接触垫上显示电纺PVDF纳米纤维的SEM微照片。(c)具有两根电线的塑料基板上的单个纳米纤维纳米发电机的光学图像。(d)PVDF纳米纤维纳米发电机在恒定的机械应变下,应变率不同的测试结果。 随着应变速率的增加,产生较高的输出电流,而在这两种情况下产生的总电荷保持大致相同。经许可转载[21],版权所有,2010年美国化学学会。

在实验演示中,单个PVDF纳米纤维被电纺在两个相邻的电极上,相距100~600mm,并固定在两侧的接触电极上,使用导电银糊,如图2(b)所示。值得注意的是,如果偶极子沿着纤维的纵轴排列,当纤维在轴向压缩或拉伸时,D33模式可能负责主要的压电响应。图2(C)显示了电纺PVDF纳米纤维在具有两个接触电极和电线的柔性塑料基板上的光学照片。实验表明,在重复的长期可靠性测试下,单个PVDF纳米纤维基纳米发电机能够产生0.5~3nA的电流和5-30mV的电压,而不会产生明显的性能退化。研究还证实了电压和电流的产生都与应变率有关。当总应变保持在同一水平时,在较高的应变率下监测到较高的电响应,而在相同的施加应变幅度下,总累积电荷保持不变,如图2(d)所示。

图3 (a)示意图,显示在柔性基板顶部排列的PVDF薄膜结构和梳状电极,以增加并联输出的电流[22]。采用连续的近场静电纺丝工艺来控制这些纤维的沉积。(b)显示能源收割机装置的制作结果[22]。共发现由50个纤维和10个电极形成的500个能量收集段产生30nA的电流.(c)制作过程。转载经许可[22],版权所有,2010年IEEE。

为了增加总的电输出量,这些纳米纤维的串行或并行连接可以分别导致倍增电压或电流输出。实验中,单独的PVDF纤维通过使用NFES工艺电纺,在柔性聚合物衬底上制造的梳状金属电极顶部设计了图案,如图3(a)所示。有组织的模式是通过近场静电纺丝过程沉积的,使用计算机控制的x-y级来移动图中的收集器。3(b)图简要解释了聚合物衬底顶部的制造工艺。首先,通过一个标准的光刻过程来定义梳状电极,并进行室温二氧化硅涂层,然后沉积金电极层(以薄铬层作为粘着层)。适应近场静电纺丝工艺沉积PVDF纳米纤维,用PDMS(聚二甲基硅氧烷)封装整个器件。通过解除过程去除光刻胶(PR)。该装置的设计是为了放大电流输出使用并行连接,以收集可能的电流世代从每个单独的纳米纤维。单能源收割机由50根平行纤维和10对电极共500段组成,监测的峰值电流约为30nA。这项工作的关键成就包括:能够有序地放置对齐的纳米纤维,通过使用平行连接的纳米纤维在清除能量方面实现更高的电输出的可能性,以及使用梳状电极的纳米纤维沉积工艺后电极化的可行性。

图4 (a)采用远场静电纺丝法制备了PVDF纳米发电机系统,并将单个纳米纤维手工放置在薄膜上,两端用银糊混合。(b)采用PDMS罩和后电极化工艺,纳米发电机在1.67%/秒应变率下产生20mV电压和0.3nA电流。此外,该纳米发电机与生物燃料电池集成,以提高总能量输出[34]。转载经许可[34],版权所有,2010年美国化学学会。

Hansen等人在传统远场静电纺丝制备PVDF纳米发电机的领域,已经演示了一种将PVDF纳米发电机和生物燃料电池结合在一起的能量收集系统,并采用改进的远场静电纺丝工艺制备了PVDF纳米纤维网络,如图所示,将单个纳米纤维与卡普顿薄膜对齐。图4(b)说明了具有压电PVDF纳米纤维纳米发电机和生物燃料电池的集成系统。图4(C)是用银糊固定的纳米纤维的详细说明。在0.2mV/cm处进行了一个平面内后极化过程,持续15分钟,以增强压电再溅射。在固定应变速率为1.67%/秒的情况下,电压和电流输出分别高达20mV和0.3NA,如图4(d)所示。本工作扩展了上述PVDF纳米纤维纳米发电机使用近场静电纺丝的新途径,利用传统的PVDF纳米纤维静电纺丝用于纳米发电机的应用。此外,这也是第一次演示纳米纤维纳米发电机与另一个能源系统——生物燃料电池。

5.随机分布的PVDF纳米纤维发电机

除了上述组织良好的单纤维或纤维阵列可以作为纳米发电机外,研究表明,由远场电纺工艺和其他工艺制成的随机分布纤维也可用于能量收集应用。关键的证明是,传统的远场静电纺丝制备的纤维也可以形成b相晶体结构,而不需要额外的极化过程。例如,方等人已经证明了一种PVDF膜型纳米发电机与传统的静电纺丝,其中PVDF膜是由电纺PVDF纳米纤维网络。没有额外的极化过程,一个140毫米厚的PVDF膜能够产生高达7V的压缩应变在高应变速率。能量输出足以在电容式能量收集电路的帮助下点亮LED。在一项更基础的研究中,Baj等人。用XRD(X射线衍射)和FTIR(傅里叶变换红外)测量表明,在不经过后极化工艺的远场静电纺丝制备的纤维中确实存在很大一部分b相PVDF纳米纤维。在PFM(压电响应力微范围)下的磁滞回线进一步证实了纳米纤维的铁电性。除了PVDF以外的压电材料也被研究用于可能的纳米发电机应用。例如,P(VDF-Tr FE)以其比PVDF更高的压电常数而闻名,这是由于其在居里温度以上的退火过程中,会通过将CF2偶极子对准更好的方向来实现的高度有序的晶体结构。

图5 (a)用旋转滚筒收集器进行远场静电纺丝的P(VDF-TrFE)纳米纤维实验装置示意图。底部左图说明了聚合物射流中的诱导偶极子。(b)制作的纳米纤维腹板压力传感器在退火过程前后的电响应(浅色线)。(c)两个纳米纤维网的串行连接产生的电响应,根据这些纳米纤维网的极性,将其输出电压增加一倍或取消。转载经许可[36],版权所有,2011威利。

Mandal等人在Compres-Sion试验中,用输出电压约为400mV的P(VDF-TrFE)远场静电纺丝技术证明了一种43mm厚的压力型纳米发电机。图5a说明静电纺丝过程的设置和静电纺丝过程中可能的偶极子取向。实验进行了一些详细的材料表征,以验证压电性能,如FTIR和压力测试。例如,图5b。在退火过程之前和之后(高于居里温度130°1C 15分钟),实验显示了制备的纳米纤维腹板作为压力传感器的响应。这一结果清楚地表明,退火过程可以随机的偶极子排列,如预期的减少输出。此外,图5(C)显示了两个纳米纤维网的可能串行连接,以使其输出电压加倍或取消,这取决于这些纳米纤维网的极性。这项工作进一步证明了为纳米纤维纳米发电机的大电压输出进行串行连接的可行性,而非为大电流输出进行并行连接。

6.PZT纳米纤维发电机

图6 (a)水热分解外延生长的PZT纳米线阵列的扫描电镜图像[38]。标尺,5毫米。经[38]许可重印。版权(2010)自然出版集团。(b)具有矩形或圆形和不同直径的PZT微纤维[42]。经[42]许可重印。(c)用光刻技术转移PZT丝带和PDMS基板,转移PZT纤维[41]。版权(2010)美国化学学会。(d)两个铂梳状电极上的PZT纳米纤维[14]。发电机用PDMS罩完成。经[1

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