Синтез керамической полимерной композитной нановолоконной пленки на основе восстановленного оксида графена, легированной азотом, для применения в носимых устройствах

Том 12 научных докладов, номер статьи: 15583 (2022 г.) Цитировать эту статью

1679 Доступов

7 Альтметрика

Подробности о метриках

В этом исследовании пьезоэлектрические композитные пленки нановолокон были изготовлены путем введения легированного азотом восстановленного оксида графена в качестве проводящего материала в полимер P(VDF-TrFE) и керамический композит BiScO3-PbTiO3 с использованием процесса электроформования. Азот был легирован/замещен в rGO для удаления или компенсации дефектов, образовавшихся в процессе восстановления. Процесс электроформования был использован для извлечения пьезоэлектрических композитных нановолоконных пленок в условиях самополяризации. Встречно-штыревые электроды использовались для изготовления сборщиков энергии планировочного типа для сбора электромеханической энергии, подаваемой на гибкий сборщик энергии. Из пьезоэлектрического композита со встречно-штыревым электродом эффективная диэлектрическая проницаемость получена методом конформного картирования. За счет введения керамики BS-PT и проводников N-rGO в пьезоэлектрические композитные нановолоконные пленки P(VDF-TrFE) эффективная диэлектрическая проницаемость была улучшена с 8,2 до 15,5. Эта улучшенная эффективная диэлектрическая проницаемость, вероятно, обусловлена ​​увеличением плотности электрического потока из-за повышенной проводимости. Встречно-штыревой электрод, изготовленный с использованием этой тонкой композитной пленки из нановолокон, был разработан и протестирован для применения в носимых устройствах. К сборщику энергии на основе композитных нановолокон с встречно-штыревыми электродами прикладывалась внешняя механическая сила величиной 350 Н с частотой 0,6 Гц, пиковые напряжение и ток составляли 13 В и 1,25 мкА соответственно. За счет оптимизации изготовления устройства напряжение холостого хода, запасенное напряжение и генерируемая выходная мощность составили 12,4 В, 3,78 В и 6,3 мкВт соответственно.

Пьезоэлектрические композиционные материалы на основе полимеров и керамики привлекли особое внимание благодаря своим превосходным электрическим и механическим свойствам, таким как гибкость, пьезоэлектричество и прочность1,2,3. В целом пьезоэлектрические полимеры основаны в основном на материалах ПВДФ и П(ВДФ-ТрФЭ)4,5. Их электрические свойства можно улучшить, добавив пьезоэлектрическую керамику для создания пьезоэлектрических композитных структур. Хотя пьезоэлектрические композиты уже созданы, существуют ограничения в улучшении их пьезоэлектрических свойств из-за их резистивного поведения. Чтобы преодолеть эти ограничения, в пьезоэлектрические композиты можно добавлять проводящие материалы для улучшения их электрических свойств. Двумерный (2D) rGO широко используется в качестве проводящего материала, который можно легко смешивать с другими компонентами для улучшения электрических и механических свойств6,7,8. Следовательно, введение rGO в пьезоэлектрические полимеры, включая PVDF и P(VDF-TrFE), может привести к улучшению пьезоэлектрических свойств9,10. Однако в процессе восстановления rGO возникает множество дефектов, которые могут ухудшить его свойства переноса электронов. Эти дефекты могут быть очень вредными для пьезоэлектрических устройств, поскольку они нарушают электрическое поле11,12. rGO широко исследовался для применения в двумерных функциональных устройствах из-за его высокой электропроводности и гибкости13,14. Однако дефекты, возникающие в процессе восстановления, ухудшают электрические свойства rGO. Чтобы преодолеть снижение проводящих свойств, N был легирован/замещен в двумерный rGO. Легирование/замещение N может устранить дефекты в rGO, что приведет к более высокой электропроводности6.

Пьезоэлектрические пленки нановолокон на основе полимерных и керамических ингредиентов обладают рядом преимуществ по сравнению с другими композитными структурами, такими как гибкость и пьезоэлектричество13,15. Пленка из нановолокна обладает превосходной гибкостью благодаря высокому соотношению сторон по сравнению с другими композитными и керамическими материалами. Был разработан и внедрен процесс электропрядения для изготовления надежных структур из нановолокон и композитных нановолокон. Электропрядение — это метод производства нановолокон из полимеров, керамики и металлов путем приложения электрического поля. Этот процесс может образовывать нановолокна из сложных молекул и работать при низких температурах16,17.