电场约束中ZnO_PVDF溶液成膜的结构及压电性能研究

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1、分类号TS102.54学校代码10495ＵＤＣ677密级公开硕士学位论文电场约束中ZnO/PVDF溶液成膜的结构及压电性能研究作者姓名：代乔民学号：1515073021指导教师：徐卫林学科门类：工学专业：纺织材料与纺织品设计研究方向：高性能材料器件制备完成日期：二零一八年三月WuhanTextileUniversityM.E.DissertationStructureandpiezoelectricpropertyofZnO/PVDFcompositefilmsmadeinelectrostaticfieldCandidate：QiaominDaiSupervisor：WeilinX

2、uTime:March2018摘要近几年来，随着技术领域的进步，可穿戴智能设备和便携式电子器件得到了飞速发展。设备的尺寸通过牺牲电池大小的方式得到缩减，以使设备获得便携、高效、易操作的特点。这就使设备的电源面临了新的挑战。目前，设备的电源多为蓄电池，但电池诸如自重大、体积大、能量密度低和持久性差的缺点并不能满足人们对便携设备的需求。因此，对可持续性自驱动电源技术的研究将是未来便携设备发展的重心。通过压电设备将周围环境中的机械能转变为电能来驱动便携式电子设备或实时为其充电，是解决便携式电子设备电源问题的有效途径之一。本课题着眼于聚偏氟乙烯质量轻、可极化压电的特点，以提高聚偏氟乙烯基压电

3、膜的压电效率为目的，从ZnO掺杂PVDF改性的角度入手，将ZnO/PVDF复合溶液置于20kV静电场中制备ZnO/PVDF复合膜，探讨了影响ZnO/PVDF复合膜输出电能的影响因素，并以此为基础，制备了输出性能稳定的ZnO/PVDF复合膜。本论文主要研究以下几个方面：1、在静电场的约束下制备了氧化锌/聚偏氟乙烯（ZnO/PVDF）复合膜，研究了ZnO含量对PVDF膜表面形态、β晶型的形成、输出电压的影响。随着PVDF膜中ZnO含量的增加，复合膜表面孔洞先增大后减小。通过FTIR和XRD分析证实，适量增加ZnO有助于PVDF膜β晶的形成。当ZnO含量为3wt%时，复合膜的输出电压最高，

4、峰值电压可达到27.84V。2、制备了ZnO含量为3wt%的不同厚度的ZnO/PVDF复合膜，研究成膜厚度对ZnO/PVDF复合膜表面形态、β晶型的形成、输出电压的影响。随着ZnO/PVDF复合膜厚度的增加，膜表面的孔洞密度逐渐增加，且孔洞的直径变小。通过FTIR和XRD分析证实，ZnO/PVDF复合膜厚度的变化几乎不对PVDF膜的结晶造成影响，β晶的含量相当。在同等能量的刺激下，复合膜越厚，产生的电压越小，其中厚度为1.0mm的复合膜输出电压最高，为35.52V；用不同能量刺激2.5mm的复合膜时，冲击能量越大，ZnO/PVDF复合膜产生的响应电压越大。3、以丙酮与DMF的复配溶液

5、为溶剂，制备了ZnO含量为3wt%，铸膜厚度为1.0mm的ZnO/PVDF复合膜，研究溶剂中丙酮体积分数对ZnO/PVDF复合膜表面形态、β晶型的形成、输出电压的影响。随着丙酮浓度的增加，复合膜表面的孔洞直径逐渐变小，当丙酮含量达到70%时，复合膜表面孔洞几乎全部消失。通过FTIR和XRD分析证实，丙酮含量的变化对PVDF膜的结晶造成很小的影响，β晶含量最大值与最小值相差5.6%。在同等能量的刺激下，丙酮含量30%的溶剂中制得的ZnO/PVDF复合膜产生的电压最大，峰值电压可达到18.76V。外接负载为2MΩ时，丙酮含量为30%的复合膜的瞬时能量密度最大，为8.23μw/cm2。当将

6、两复合膜串联时，电压输出约为二者2倍，电流值基本不变；当两复合膜并联时，输出电压基本不变，电流约为二者之和，符合电池的串并联规律。关键词：氧化锌；聚偏氟乙烯；电场；压电响应研究类型：应用研究AbstractWiththeadvancementinthefieldoftechnologyintherecentyears,wearablesmartdevicesandportableelectronicsystemsaregrowingrapidly.Thesizeofthedeviceshasbeenreducedtomakeitportable,efficient,andeasyto

7、handleatthecostofdecreasingthesizeofthebatteries,whichbroughtchallengestothepowersystem.Nowdays,alargenumberofdevicesdependonbatteries.Butbatterieshavemanydisadvantagesincludingbiggervolume,heavyerweightandlowerpowerdensity,whichc