BaTiO3/CNT复合有机柔性材料的结构设计与发电性能研究

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利用介电弹性体的逆效应,可实现电输出,为微型电子产品提供能源,是目前能量转换领域的热门研究课题。采用杨氏模量极低的硅橡胶(PDMS)为基体,填充高介电常数的压电陶瓷以提高其介电性能是本领域的研究热点。本文分别以具有大形变能力的有机物PDMS和具有铁电性的有机物PVDF作为基体,通过改变压电填充物的状态,系统研究BaTiO3/CNT复合有机柔性材料的组织结构、介电行为与发电性能。压电填充物的合成与改性是改善有机复合材料性能的前提。利用水热方法首先实现了压电填充物BaTiO3纳米线的合成,XRD和SEM结果表明合成的BaTiO3纳米线纯度高,无杂相,纳米线直径约为20nm。采用CVD技术,在BaTiO3颗粒表面接枝纳米碳管,以实现压电填充物的改性,Raman光谱和SEM试验结果表明纳米碳管成功接枝到BaTiO3颗粒表面。为了对比试验,本文选用了BaTiO3颗粒、BaTiO3纳米线、机械混合的BaTiO3纳米线与纳米碳管以及BaTiO3颗粒接枝纳米碳管四种填充物。PDMS基有机复合材料发电性能测试结果表明,填充物为BaTiO3颗粒时,输出电压随掺杂量的增加先升高后保持不变,填充量为10wt%时达到最大值4.2V;填充物为BaTiO3纳米线时,输出电压随填充量的增加先升高后降低,填充量为7.5wt%时达到最大值5.7V;填充物为BaTiO3纳米线加纳米碳管时,输出电压随纳米碳管的含量增加先升高后显著降低,碳管含量为1wt%时达到最大值7.3V;填充物为BaTiO3颗粒接枝纳米碳管时,输出电压随填充量的增加先升高后降低,填充量为7.5wt%时达到最大值15.2V,复合材料的发电性能比填充BaTiO3颗粒时提高了260%;发电性能的提高主要来自于复合材料界面处载荷传递和电荷输出效果的提升。对PVDF基有机复合材料进行了电性能测试,由于PVDF有机铁电基体的形变量小,导致其发电性能不理想。复合材料的介电性能测试表明,填充物为BaTiO3颗粒时,复合材料介电常数随填充量增加而变大,填充量为10wt%时,1kHz频率下测得最大值为22,介电损耗随填充量增加而降低;填充物为BaTiO3纳米线时,复合材料介电常数随填充量增加而变大,但最大值仅为16,介电损耗随填充量增加而升高;填充物为BaTiO3颗粒接枝纳米碳管时,复合材料介电常数随填充量增加而变大,填充量为10wt%时,1kHz频率下测得最大值为27,比直接填充BaTiO3颗粒时提高了23%,更重要的是其介电损耗随填充量增加基本保持不变,在1kHz测试频率下稳定在0.03左右。压电和铁电性能测试表明,填充物为BaTiO3颗粒接枝纳米碳管时,复合材料可获得13pC/N的最大压电系数;所测样品皆展现出明显的铁电性。
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