太原理工大学 纳米能源与器件研究中心, 山西 太原 030024
采用简单的一步水热法合成了自支撑的氧化锌纳米棒(ZnO NRs)@还原氧化石墨烯(rGO)复合材料, 通过旋涂法制备ZnO@rGO/聚偏二氟乙烯(PVDF)柔性复合薄膜压电纳米发电机。研究结果表明, ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机的输出性能随ZnO@rGO掺杂质量先增大后减小, 当ZnO@rGO的质量分数为3.0%时, 输出电压可达9.06 V, 输出电流可达0.74 μA, 与仅掺杂3.0%ZnO NRs的ZnO/PVDF纳米发电机相比, 其输出电压和电流分别提高了120%和124%。当负载电阻为10 MΩ时, ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机输出功率最大为5.79 μW。经过4 000次循环测试表明, 该文所制备ZnO@rGO/PVDF柔性复合薄膜压电纳米发电机的输出性能稳定。该纳米发电机可以监测人体行走和跑步姿势, 记录运动次数。有望作为自供电压力传感器件植入可穿戴电子设备中。
聚偏二氟乙烯(PVDF) 自支撑结构 柔性复合薄膜 压电纳米发电机 polyvinylidene difluoride (PVDF) self-supported structure flexible composite film piezoelectric nanogenerator
南京理工大学 机械工程学院, 江苏 南京 210094
气动系统已广泛应用于工业生产中, 其工作时排出的气体直接进入大气, 因而浪费了大量的能量。该文以聚偏二氟乙烯(PVDF)压电片作为能量收集器核心部件, 对排出的压缩气体进行了能量收集。设计了多悬臂梁振动能量收集器, 利用ANSYS有限元仿真软件分析了压缩气体进入能量收集器后的流场, 通过试验测试了压电片发电效果。结果表明, 入射口直径、扰流柱直径、入射口压力和入射口距扰流柱距离都会影响压电片发电效果。当入射口压力为80 kPa,负载电阻为900 kΩ时, 能量收集器总功率约为120.64 μW, 与其他收集器相比提高了28.8%。
气动系统 聚偏二氟乙烯(PVDF) 能量收集器 多悬臂梁 输出功率 pneumatic system polyvinylidene fluoride (PVDF) energy harvester multi-cantilever beam output power
扬州大学 机械工程学院, 江苏 扬州 225127
感知器官对于许多动物必不可少, 尤其是生活在水下的生物。该文以聚偏二氟乙烯(PVDF)为材料, 模仿水生动物海豹的触须设计制备了一种表面四电极PVDF压电纤维仿生柔性传感器。利用激振源测试所制备的传感器性能, 包括输出不同的波形测试对不同激励的感知, 对水动力的感知及对水下运动物体方向的感知。实验结果表明, 该传感器对不同激励的感知性能很好, 速度检测极限可达0.15 mm/s, 且有良好的方向性检测能力, 对水下情况感知的应用前景广。
感知器官 仿生学 聚偏二氟乙烯(PVDF) 压电纤维 传感器 sensory organs bionics polyvinylidene fluoride (PVDF) piezoelectric fibers sensor
半规管是人体前庭系统中的一种角位移感知器官，该文基于人体半规管几何尺寸、机械属性及内部结构，利用表面对称电极含金属芯聚偏二氟乙烯(PVDF)纤维(SMPF)传感器，设计制备了一种结构尺寸、工作机理与人体半规管基本一致的仿生角加速度传感器。同时搭建了实验系统，对仿生半规管传感器的感知理论模型进行了验证。实验结果证明，传感器的工作机理与数学模型推导结果基本一致，仿生传感器在不同加速度刺激下输出相应幅值的电信号。通过扫频实验确认系统固有频率约为10 Hz，可用于人体头部的运动检测。
半规管 内淋巴 聚偏二氟乙烯(PVDF) 固有频率 角加速度传感器 semicircular canal lymphatic polyvinylidene fluoride(PVDF) natural frequency angular acceleration sensor
皮肤是人类感知外界信息的重要器官,人类通过皮肤产生的触觉感来判定环境变化,从而做出相应的反应。该文以聚偏二氟乙烯(PVDF)为主材料，设计制备了液体芯PVDF压电纤维、电子皮肤柔性触觉传感器。为了测试该电子皮肤的触觉传感性能，实验以推力计施加压力，使压电纤维发生形变，则电荷改变。通过机器学习误差逆向传播(BP)神经网络算法、分类学习对数据训练，即可通过6根纤维的信号大小来判断压力的大小及位置。其中BP神经网络的回归分析图中回归系数(R)值为0.87，分类学习中接受者操作特征曲线(ROC)下的面积(AUC)为1。结果表明该电子皮肤灵敏度高，对于力的捕捉精确。
触觉 电子皮肤 液体芯聚偏二氟乙烯(PVDF)纤维 柔性触觉传感器 机器学习 tactile electronic skin liquid core PVDF fiber flexible tactile senor machine learning
1 大连理工大学 电气工程学院, 辽宁 大连 116024
2 大连理工大学 电子信息与电气工程学部, 辽宁 大连 116024
针对可穿戴设备电源的供电及续航问题, 采用了筒壳结构的压电能量收集器。探究了可穿戴筒壳结构压电能量收集器俘能的本质, 并提出结构优化设计方案。首先指出筒壳结构的承载能力和初始能量与厚度成正比, 且随着跨度的增大而减小; 其次通过有限元仿真研究了基底和聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜尺寸与应力、应变的关系, 指出PVDF的尺寸应尽可能与应力、应变较大的区域相符合, 没必要完全覆盖基底, 并给出优化模型; 最后通过实验验证了厚度、跨度和曲率半径优化尺寸的合理性, 综合考虑了人体穿戴的舒适度。优化设计方案中, 筒壳结构的厚为125~150 μm, 跨度为19~22.2 mm, 曲率半径为10~15 mm, 输出电压可达13~18 V。
可穿戴 筒壳结构 压电能量收集 聚偏二氟乙烯(PVDF) 优化 wearable cylindrical shell piezoelectric energy harvesting polyvinylidene fluoride(PVDF) optimization
针对传统静电纺丝法制备聚偏二氟乙烯(PVDF)压电纤维工艺复杂和效率低等问题，提出了采用滚筒收集方式制备PVDF有序纳米纤维的方法。通过改变滚筒转速收集纤维，得到了有序程度不同的PVDF纤维膜。用傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析了有序纤维膜β晶相的含量，并利用NI数据采集卡在相同条件下测试了纤维膜的压电特性。结果表明: 随着滚筒转速提高，纤维有序度增强，β相的含量提高，压电电压输出也明显增大，由此得知滚筒转速变化对β晶相的含量及压电输出电压的影响规律基本一致。基于得到的结果，设计制作了利用该有序PVDF纤维膜的压力传感器，并在不同气压下进行了动态响应测试。结果显示: 所制备的PVDF有序纤维压力传感器在0.145~0.165 MPa下的电压输出随气压的增加呈线性增大，表现出了良好的线性度，其灵敏度达179 mV/kPa。采用该种方法制备PVDF纤维对研制动态压力传感器极有意义。
静电纺丝 滚筒收集 聚偏二氟乙烯有序纳米纤维 压电特性 压力传感器 electrospinning rotating drum collection aligned Poly Vinylidene Fluoride( PVDF) nanofiber piezoelectric property pressure sensor 光学 精密工程
2016, 24(10): 2498
1 中科院上海技术物理研究所 红外物理国家重点实验室, 上海 200083
2 上海师范大学, 上海 200233
利用旋涂法制备并采用氢气退火处理得到P(VDF-TrFE)/Ag复合薄膜, 在XRD图像上可以观察到在2θ=38.1°的Ag(111)相的衍射峰, 同样在SEM图像上观察到银纳米粒子的存在.在薄膜的红外透射光谱上可以观察到β相特征峰的蓝移, 这可归结为银纳米粒子与偶极子的相互作用.银纳米粒子的掺杂增强了薄膜的铁电和介电性能.与传统退火方式处理的纯P(VDF-TrFE)薄膜相比, 纳米银掺杂比例为10%的P(VDF-TrFE)/Ag复合薄膜的铁电剩余极化强度和介电常数分别提高了32.5%和13.3%.介电损耗不随纳米银掺杂比例的增加而变化的现象不符合渗流理论.
聚偏二氟乙烯 氢气退火 银纳米粒子 铁电性 渗流理论 PVDF hydrogen annealing Ag nanoparticle ferroelectric percolation theory
