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柔性PVDF基壓電納米發(fā)電機(jī)的最新進(jìn)展綜述

MEMS ? 來源:MEMS ? 2024-04-07 09:30 ? 次閱讀

近年來,隨著物聯(lián)網(wǎng)IoT)和便攜式可穿戴設(shè)備的快速發(fā)展,將電子器件與紡織品相結(jié)合而制得的可穿戴電子織物(E-textiles)成為能量收集領(lǐng)域的熱門話題。傳統(tǒng)儲(chǔ)能設(shè)備是剛性的且不易集成到可穿戴設(shè)備之中。因此,亟待開發(fā)小型化、輕便且綠色的供電設(shè)備。身體運(yùn)動(dòng)和行走等機(jī)械能可通過壓電納米發(fā)電機(jī)(PENG)有效地轉(zhuǎn)化為電能,由于其環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)、結(jié)構(gòu)簡單、重量輕等特點(diǎn),已被廣泛應(yīng)用于能量采集。已有研究人員開發(fā)了基于薄膜的PENG,可產(chǎn)生較高的壓電響應(yīng),但其較差的柔韌性限制了實(shí)用性。將紡織品與PENG相結(jié)合以構(gòu)建柔性PENG有望成為可穿戴電子織物的理想能量來源。由于其固有的機(jī)械柔韌性,紡織材料可融入服裝和醫(yī)療保健等多個(gè)領(lǐng)域,這對可穿戴電子產(chǎn)品的大規(guī)模生產(chǎn)至關(guān)重要。

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自2006年發(fā)明PENG以來,它已被用于傳感器并廣泛應(yīng)用于監(jiān)測、人機(jī)界面、能量收集和醫(yī)療科學(xué)。雖然鋯鈦酸鉛(PZT,d33=~304 pCN?1)是最高效的壓電材料之一,但其高達(dá)60%的鉛含量和高剛性限制了其應(yīng)用。聚偏二氟乙烯(PVDF)及其聚合物憑借其柔韌性、無毒、易加工性以及生物相容性等特點(diǎn)成為熱門研究課題。PVDF基紡織品由于具有柔韌性,很容易加工成纖維、紗線和織物。由PVDF基紡織品制成的PENG被稱為柔性PVDF基PENG,包括纖維基、紗線基和織物基PENG。通過縫紉、編織等方式將柔性PVDF基PENG與服裝相結(jié)合,可為可穿戴設(shè)備提供電源解決方案。與壓電陶瓷相比,PVDF的壓電系數(shù)較低(d33=~-33 pCN?1)。因此,提高PVDF的壓電系數(shù),對于柔性PVDF基PENG來說至關(guān)重要。

關(guān)于柔性PVDF基PENG的研究已有很多。其中,大部分主要討論了柔性PVDF基PENG的壓電性能增強(qiáng)問題。已有研究不同制造方法對柔性PVDF基PENG的影響。例如,熔融紡絲、溶液紡絲、靜電紡絲和3D打印等。然而,制造方法并不是提高柔性PVDF基PENG壓電性的根本方法。許多研究人員嘗試通過結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來提高其壓電性,如微結(jié)構(gòu)、核殼結(jié)構(gòu)、多孔結(jié)構(gòu)等。此外,添加填料是另一種可行的方法。填料包括無機(jī)材料,如PZT、鈦酸鋇(BaTiO?)、氧化鋅以及CsPbBr?;碳基材料,如碳納米管;以及導(dǎo)電材料,如MXene。然而,柔性PVDF基PENG仍然存在一些關(guān)鍵問題,如壓電輸出性能低、耐洗性差以及耐久性差等。

目前已有綜述研究了基于靜電紡絲納米纖維的PENG或傳感器,以及基于PVDF的壓電材料的壓電特性。然而,鮮有綜述關(guān)注基于PVDF的紡織品PENG。據(jù)麥姆斯咨詢介紹,西安工程大學(xué)紡織科學(xué)與工程學(xué)院、服裝與藝術(shù)設(shè)計(jì)學(xué)院的研究人員近期發(fā)表了一篇題為“Recent progress on flexible poly(vinylidene fluoride)-based piezoelectric nanogenerators for energy harvesting and self-powered electronic applications”的綜述文章,介紹了能量收集和自供電電子設(shè)備應(yīng)用的柔性PVDF基PENG的最新進(jìn)展。文章首先介紹了PVDF及其聚合物的基本原理。然后,討論了柔性PVDF基PENG制造技術(shù)的最新進(jìn)展及其差異,主要包括靜電紡絲、熔融紡絲、溶液吹塑紡絲(SBS)和3D打印。文章從織物結(jié)構(gòu)的角度,系統(tǒng)總結(jié)了近年紡織基PENG的最新研究進(jìn)展,包括纖維基、紗線基和織物基PENG。文章重點(diǎn)討論了柔性PVDF基PENG在自供電電子設(shè)備中的應(yīng)用。最后,展望了柔性PVDF基PENG可能面臨的挑戰(zhàn)及其未來發(fā)展方向。

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(a)PVDF化學(xué)結(jié)構(gòu);(b)α、β、γ相結(jié)構(gòu)示意圖;(c)增加β相的五種方法

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基于PVDF/鈦酸鋇織物傳感器的護(hù)膝應(yīng)用

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柔性PVDF基PENG在自供電電子設(shè)備中的應(yīng)用

本研究回顧并批判性地討論了能量收集和自供電設(shè)備應(yīng)用的柔性PVDF基PENG的最新進(jìn)展。提高PVDF基材料壓電輸出性能的關(guān)鍵是增加其β含量。靜電紡絲可以提高β含量,因此靜電紡絲復(fù)合纖維基PENG具有較高的輸出性能。3D打印可以實(shí)現(xiàn)PVDF基自極化PENG,為自由極化壓電器件提供了一種新方法。此外,與織物基PENG相比,紗線基PENG具有可加工性和結(jié)構(gòu)多樣性的優(yōu)勢,有望成為該領(lǐng)域的一個(gè)重要研究方向。PVDF基PENG正廣泛應(yīng)用于自供電傳感器,未來應(yīng)在提高輸出性能的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步研究其耐磨性和靈敏度。

論文鏈接:
https://doi.org/10.1016/j.rser.2024.114285




審核編輯:劉清

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原文標(biāo)題:綜述:柔性PVDF基壓電納米發(fā)電機(jī)的最新進(jìn)展

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