【摘 要】
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压电材料由于其能够将机械能转化为电能受到广泛的关注。而压电聚合物材料具有特殊的柔韧性和轻质性,在纳米维度下显示出更强的电学特性。因此研究和应用压电聚合物纳米材料有助于解决电子器件的能量供应问题,在人工智能和可穿戴设备等领域具有重要的意义。尼龙1111(PA1111)作为长碳链奇奇数尼龙的代表产品,偶极密度大、酰胺基团成氢键以及生物相容性好等特点使其压电铁电性优异、高温稳定性和机械性能优良,具有制备
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压电材料由于其能够将机械能转化为电能受到广泛的关注。而压电聚合物材料具有特殊的柔韧性和轻质性,在纳米维度下显示出更强的电学特性。因此研究和应用压电聚合物纳米材料有助于解决电子器件的能量供应问题,在人工智能和可穿戴设备等领域具有重要的意义。尼龙1111(PA1111)作为长碳链奇奇数尼龙的代表产品,偶极密度大、酰胺基团成氢键以及生物相容性好等特点使其压电铁电性优异、高温稳定性和机械性能优良,具有制备压电纳米器件的潜力。本文通过多孔阳极氧化铝模板制备PA1111压电纳米纤维,并对纳米纤维的晶态、在纳米孔道内的结晶行为和压电性能进行表征,最后将其组装为纳米器件并分析影响输出性能的因素。主要得到了以下结论:(1)利用模板溶液法成功制备出直径为40 nm和200 nm的PA1111纳米纤维。只有当溶液的浓度超过10 wt%时,才能得到形态均一、形貌完善的纳米纤维。在探究了溶液浓度、模板孔径对纳米纤维晶态的影响后发现溶剂淬火作用和模板限制作用都有利于纳米纤维的γ晶型的生成,其比例在37%左右,相比于溶液成膜样品提高了一倍。40 nm纤维的亚稳态γ晶型比例从37%增加至39%,但结晶度有所下降。模板内聚合物分子链轴垂直于纳米纤维的生长方向,在模板中形成优先链取向和晶体取向。模板法制备的PA1111纳米纤维存在压电响应。PA1111压电纳米纤维的结晶度和γ晶型比例越高,压电常数d33的值越大,最大值为1.16 p C/N。压电力显微镜的相位图证明PA1111压电纳米纤维极化方向平行于纳米孔轴,具有“自极化”特性。基于纳米纤维的压电纳米发电机(PENG)的输出性能与d33值的大小成正比,其中结晶度最高的纳米纤维组装成的PENG的开路电压(Voc)值最高达3.4 V。此外,在模板内保持宏观取向的“自极化”PA1111压电纳米纤维所制备的摩擦电器件的Voc值是随机排布的纳米纤维的4倍。(2)利用模板熔压法制备的纳米纤维也倾向于生成亚稳态γ晶型,熔体冷却的缓慢退火使纳米纤维的结晶度从16%增加至21%,微晶尺寸也有所增加。但缺少溶剂淬火作用使γ相的比例降低了10%左右,综合影响下纳米纤维的压电常数d33与溶液法相差不大。实验拟合了PA1111熔体本体及在纳米孔道内的非等温结晶过程,参数显示,熔体在纳米孔道内的结晶成核能力更强,结晶生长速率更高,具有异相成核和快速结晶的特征。但晶体在快速生长后就在纳米空间内发生碰撞,很难再继续完善生长。从而导致相比于本体,纳米孔道内的晶体易于生成亚稳态的晶型,但结晶度会有所降低,进而明确了模板限制作用对纳米纤维结晶的影响。本文对PA1111在纳米自发电领域的应用进行探索,不仅极大拓展了压电性奇奇数尼龙材料的应用空间,也可为其他种类的尼龙材料压电性的研究和应用积累经验。
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