嵌入氧化石墨烯納米片，增強PVDF納米纖維的壓電特性

MEMS 2024-08-22 00:01

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據麥姆斯咨詢介紹，過去十年來，業界對自供電、智能、彈性、微型化且可持續的新一代電子設備進行了廣泛研究，其中包括用于智能可穿戴電子設備的自充電供電系統（SCPS）。SCPS主要依靠高效的能量收集納米發電機，將周圍環境的能量轉化為電能。SCPS已成為一種新趨勢，以應對全球能源危機，以及不可再生能源消耗所帶來的環境污染。SCPS采用電磁、靜電、壓電、摩擦電、熱電和熱釋電等各種能量收集機制，可用于各種低功率電子應用。

壓電納米發電機技術于2006年首次提出，基于將環境機械應力轉化為電能，它們主要可分為鉛基壓電材料和無鉛壓電材料。其中，鋯鈦酸鉛（PZT）的壓電系數d?? > 2500 pC/N，鈮鎂酸鉛/鈦酸鉛（PMN-PT）是已知壓電系數最高的材料之一（d?? = 3140 pC/N）。然而，由于鉛對人類健康和環境的有害影響，在不久的將來，鉛基材料的應用將受到嚴重限制。因此，迫切需要逐步替代含鉛材料，改良具有高壓電性能的無鉛材料，如鈦酸鋇（BaTiO?）和氧化鋅（ZnO）等。此外，鐵電含氟聚合物，尤其是聚偏二氟乙烯（PVDF），已被證明具有可觀的壓電系數，同時具有良好的機械強度和熱穩定性，以及對酸、堿和有機溶劑等材料優異的耐化學腐蝕性。

已有文獻報道，PVDF的能量轉換效率可達21.8%，因而早在十年前就引起了研究人員的關注。此外，其d??系數在32±1.73 pC/N。不僅如此，PVDF是市場上可以買到的壓電聚合物之一，具有重量輕、耐用且柔韌的特點。這使其成為柔性壓電納米發電機的良好選擇，可承受拉伸、彎曲和跑步等包含巨大應力變形的人體運動。此外，PVDF聚合物鏈的基本結構由包含兩個碳原子、兩個氫原子和兩個氟原子的單體單元組成，排列方式為（CH?-CF?），它具有至少四種晶形。取決于樣品制備方法，其中三種結構具有永久偶極子（β、γ和δ相）。值得注意的是，β相是所有相中極性最強的一種，因為所有偶極子都在反式（TTTT）平面取向，這使其成為壓電能量收集的理想相。

盡管電活性β相和γ相非常重要，但PVDF的壓電性能仍可通過多種因素得到增強，包括填料分數、納米填料的應變傳遞、界面周圍的應變分布以及半結晶結構的調制等。其他方法旨在增強局部偶極矩，而不是增強排列（β相）。據麥姆斯咨詢介紹，埃及亞歷山大大學的研究人員旨在通過添加功能性納米片的復雜設計，以及開發新的智能制造方法，來提高電活性β相和γ相的比例。

在所有納米纖維制造方法中，靜電紡絲被認為是成本最低、結構簡單、效率最高的纖維合成方法之一。靜電紡絲納米纖維具有重量輕、孔隙率高、比表面積大和高縱橫比等優良特性，此外還具有工業規模的可擴展性。不僅如此，這種方法由于其工藝過程依賴相對較高的電場，增加了偶極子排列和β相比例，已被證明對壓電納米纖維墊的壓電特性有增強作用，可在機械應力、拉伸和人體運動下產生顯著的電壓。

事實證明，加入GO、ZnO和陶瓷基材料如BaTiO?對PVDF納米纖維的壓電特性有良好的影響。然而，目前仍缺乏對GO進行適當處理以達到最佳成核效果的研究。亞歷山大大學的研究人員在這項研究中，通過在聚合物基體中加入GO納米片，引入GO超聲處理以確保GO的尺寸顯著減小，從而增強PVDF的壓電特性。因此，制備了濃度高達3 wt.%的PVDF-GO納米纖維墊，打破了其他研究工作中發現的最大負載制造限制。

GO可作為成核劑，誘導形成具有電活性的β相和γ相，并形成導電通路，從而增強壓電能量收集。研究人員研究了與最高壓電性能對應的最佳GO濃度。在PVDF聚合物中加入不同濃度的GO，制備PVDF-GO靜電紡絲納米纖維。研究了所制得納米纖維的形態和結構特征，測試了納米纖維墊的機械穩定性，并獲得了所制得納米纖維墊的應力-應變曲線。通過沖擊測試、d??、電容充電和Sawyer-Tower電路等測試，對納米纖維的壓電性能進行了全面檢測。

該研究成果已經以“Boosting piezoelectric properties of PVDF nanofibers via embedded graphene oxide nanosheets”為題發表于Scientific Reports期刊。

通過測試研究了在PVDF納米纖維中引入GO的效果，以了解GO如何改善PVDF納米纖維的壓電性能，如形成電活性β相和γ相、改善d??系數、增強機械性能、提高開路電壓及機電轉換效率。

實驗表明，在添加GO的過程中，壓電納米發電機的性能一直在提高，直到達到1.5 wt.%的最佳濃度，超過這一濃度后則會明顯下降。隨著GO含量的增加，纖維的平均直徑變大，均勻性變差。在各種濃度中，PVDF-GO 1.5 wt.%實現了68.13%的電活性相含量，產生的開路電壓約為3671 V/g。在4 MΩ實現了約150 μw/cm2的最大輸出功率密度，轉換效率約為74.73%。此外，改進后的機械性能也顯示了其在可穿戴電子設備中的應用能力。這項研究推動了壓電納米發電機技術的發展，凸顯了PVDF的未來發展潛力。

不同濃度PVDF-GO wt.%復合納米纖維內微電容器濃度示意圖，（a）GO 1.5 wt.%以下；（b）GO 1.5 wt.%；（c）GO 1.5 wt.%以上，以及（d）PVDF-GO wt.%的d??結果。