铁酸铋和铁电共聚物的静电纺丝制备及应用研究

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一维纳米结构材料以其新颖的微观结构、独特的物理和化学性质以及在基础研究和微纳器件领域中的重要价值,成为了近些年来的一个研究热点。BiFeO3作为目前少数几种室温下具有自旋和极化有序的单相多铁材料,在多种存储器(如电写磁读存储器,多态存储器),磁电耦合传感器以及微机电系统中有广泛的应用前景。另外,相比于其他无机压电材料,铁电共聚物P(VDF-TrFE)具有柔韧性好、透明度高、可塑性强、易于加工等特点,在柔性传感器、能量回收器件以及可穿戴设备领域有望得到广泛的应用。制备一维微/纳米结构材料的方法有多种,如水热法、溶胶凝胶法、模板法和高压静电纺丝法等。在众多的方法中,高压静电纺丝技术具有实验设备简单、价格低廉、较容易实现纤维直径形貌控制等优点。因此本文通过静电纺丝方法,以BiFeO3和P(VDF-TrFE)为研究对象,实现了一维纳米纤维的大规模可控制备和相关性能的改进。主要研究内容和结果如下:1.采用融合了溶胶凝胶法的静电纺丝技术制备一维BiFeO3纳米纤维结构,通过DSC-TG、XRD、FTIR、SEM手段表征BiFeO3纳米纤维热处理过程中微结构的变化;用铁电测试、PPMS等方法测试样品的多铁性能。不仅对BiFeO3从静电纺丝成型到最终完成晶化的过程进行了详细的研究,而且研究了BiFeO3纳米纤维在室温下的铁电性和铁磁性。和块体相比,BiFeO3纳米纤维有更大的比表面积,纤维表面的长周期自旋调制的螺旋反铁磁有序结构被破坏,其表面不饱和自旋对纤维总磁距的贡献变大,从而导致BiFeO3纳米纤维的磁性增强。2.使用静电纺丝技术制备了Co掺杂的一维BiFeO3纳米纤维。XRD和SEM结果显示Co掺杂量对BiFeO3晶格结构、纤维形貌的影响较小。但是Co元素的加入极大地提高了BiFeO3纳米纤维的磁性,其中不同Co掺杂量的BFO、BFC-1和BFC-2的饱和磁化强度分别为0.86 emu/g,2.32 emu/g,3.98 emu/g;矫顽场分别为150 Oe,1146 Oe,1288 Oe;这些增强效果是因为Co掺杂破坏了BFO空间螺旋磁距结构。同时不同磁距的磁性离子的加入会导致静剩余磁化强度改变,从而改变整个样品总的磁化强度。3.采用静电纺丝技术制备P(VDF-TrFE)纳米纤维结构,研究讨论了电纺前驱液浓度、溶剂配比、静电纺丝电压和收集滚筒的转速等对P(VDF-TrFE)纳米纤维形貌和直径的影响。实验结果表明,转速可以明显提升纳米纤维的有序性。本实验中最适合制备P(VDF-TrFE)纳米纤维的参数是:溶液浓度为15%,所用溶剂为DMF和丙酮的混合溶液,二者体积比为7:3,电纺过程中施加的电压为15 kV,固化距离为15 cm,给料速度设为0.3 ml/h。当滚筒的转速大于2000 rpm时,将会获得高度有序的纳米纤维。4.采用光刻技术和湿法刻蚀技术制备形状可控的柔性平行铜电极,借助静电纺丝技术在平行电极上制备排列有序、表面光滑、直径均一的β相P(VDF-TrFE)纳米纤维。在此基础上,设计了一种能量回收器件,展现出良好的压电响应效果,在外加周期作用力下,可以产生高达2V的开路电压和120 nA的短路电流,上述结果表明我们设计的这种有序P(VDF-TrFE)纳米纤维在自供电和可穿戴设备上具有非常好的应用前景。
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