全氟磺酸離聚物-聚偏氟乙烯-石墨烯量子點(diǎn)三元自驅(qū)動(dòng)復(fù)合材料的高壓加工研究.pdf

1、自1969年發(fā)現(xiàn)聚偏氟乙烯(PVDF)具有壓電性以來(lái)，其在電子元件器的應(yīng)用已經(jīng)引起了眾多科學(xué)家的關(guān)注。PVDF具有5種晶型，其壓電性能主要與極性的β晶型有關(guān)。在得到β晶型PVDF的諸多方法中，通過(guò)高壓高溫結(jié)晶得到的β相PVDF，其晶體結(jié)晶程度較完善，缺陷較少，且結(jié)晶度高，因此具有良好的壓電性能。因此，研究在高壓下PVDF的結(jié)晶行為具有特別重要的意義。
　　壓電材料可以實(shí)現(xiàn)機(jī)械能與電能的相互轉(zhuǎn)換，目前已被廣泛應(yīng)用于傳感器、換能器和醫(yī)

2、學(xué)等領(lǐng)域。高分子壓電材料具有機(jī)械柔韌性好、原材料成本低、制備過(guò)程簡(jiǎn)單和器件電絕緣性能好等優(yōu)勢(shì)，但其相對(duì)較低的介電系數(shù)和壓電系數(shù)限制了其應(yīng)用。另外，一些傳統(tǒng)高分子壓電材料如多孔聚丙烯等加工過(guò)程復(fù)雜，且需經(jīng)高電壓極化方可具備應(yīng)用價(jià)值。高電壓極化過(guò)程會(huì)帶來(lái)一系列的問(wèn)題，如過(guò)多能源消耗，不安全，以及樣品的擊穿報(bào)廢等。因而，必需開(kāi)發(fā)出性能更優(yōu)異的高分子壓電材料以拓展其應(yīng)用領(lǐng)域。
　　本論文利用溶液成膜法制備了分散均勻的聚偏氟乙烯/全氟磺酸離

3、聚物(PVDF/Nafion)和聚偏氟乙烯/全氟磺酸離聚物/石墨烯量子點(diǎn)(PVDF/Nafion/GQDs)復(fù)合材料，并改變制備實(shí)驗(yàn)條件，通過(guò)DSC、WAXD、ATR-FTIR和SEM等表征手段，研究了PVDF/Nafion和PVDF/Nafion/GQDs復(fù)合材料的高壓結(jié)晶行為;此外，本文還制作了PVDF/Nafion二元復(fù)合材料壓電傳感器(PNDPG)和PVDF/Nafion/GQDs三元復(fù)合材料壓電傳感器(PNGDPG)，并對(duì)其壓

4、電性能和壓電機(jī)理進(jìn)行了研究。主要實(shí)驗(yàn)結(jié)論如下:
　　(1) PVDF/Nafion復(fù)合材料的高壓結(jié)晶行為研究
　　PVDF/Nafion復(fù)合材料蝕刻后的孔洞分布狀態(tài)表明，Nafion可經(jīng)溶液澆鑄成膜法均勻分散于PVDF基體中。高壓下升高PVDF/Nafion結(jié)晶溫度有利于PVDFα晶體向β和γ晶體轉(zhuǎn)變，特別是當(dāng)結(jié)晶溫度在260℃及以上時(shí)，樣品中只存在β和γ晶體，不存在α晶體;當(dāng)結(jié)晶壓力為500MPa時(shí)，樣品的結(jié)晶度較高，生成

5、的PVDFβ晶體含量較多;此外，在結(jié)晶壓力為400MPa和500MPa條件下，試樣還得到少量伸直鏈β晶體;
　　(2) PVDF/Nafion復(fù)合材料的壓電性能研究
　　針對(duì)傳統(tǒng)壓電駐極體的缺陷及其在研究和應(yīng)用中的瓶頸，并基于PVDF/Nafion二元復(fù)合體系的高壓加工及表征結(jié)果，制備了不同Nafion含量的新型PVDF/Nafion動(dòng)態(tài)壓電傳感器(PNDPG)，其在260℃及400MPa條件下保溫10min高壓結(jié)晶，均生成

6、大量的β晶體，并無(wú)需高電壓極化處理，即可高效率地將不同頻率及幅度的動(dòng)態(tài)機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能。PNDPG的工作機(jī)理為固有微觀偶極子和填充的Nafion結(jié)構(gòu)的宏觀偶極子之間的協(xié)同作用;當(dāng)Nafion含量為50％時(shí)，PNDPG有最優(yōu)異的壓電性能，在沒(méi)有極化的情況下，其輸出電壓達(dá)到了7.4V，相應(yīng)的電壓輸出密度達(dá)到了14.6Vcm-2，性能超過(guò)了當(dāng)前大部分壓電聚合物;增加刺激力的大小以及增加頻率能使PNDPG的壓電性能提升;同時(shí)PNDPG表現(xiàn)了很好

7、的穩(wěn)定性和持續(xù)性。
　　(3) PVDF/Nafion/GQDs三元復(fù)合材料高壓結(jié)晶行為和壓電性能的研究
　　TEM的觀察結(jié)果表明:GQDs基本能均勻分散在PVDF/Nafion基體中，但也小部分的團(tuán)聚，團(tuán)聚的尺寸在100nm以?xún)?nèi)。高壓結(jié)晶結(jié)果表明:在結(jié)晶溫度為230℃和245℃時(shí)，PVDF/Nafion/GQDs樣品中可得到大量α晶體，而當(dāng)結(jié)晶溫度在260℃及以上時(shí)，樣品中基本只有β和γ晶體;當(dāng)壓力為400MPa和500M

8、Pa時(shí)，樣品的結(jié)晶度最高;在260℃和400MPa條件下分別保溫10min、30min和60min時(shí)，樣品中均可得到大量伸直鏈晶體;同時(shí)在加入GQDs質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.5％、1％和3％的樣品中，均生成了大量一維納米線結(jié)構(gòu)。壓電性能測(cè)試表明:在大小為60N、頻率為5Hz的力的作用下，未加入GQDs的PVDF/Nafion動(dòng)態(tài)壓電傳感器能產(chǎn)生50nA的短路電流和3.8V的開(kāi)路電壓，而加入GQDs質(zhì)量分?jǐn)?shù)3％的PVDF/Nafion/GQDs三元