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中科院北京纳米所任凯亮研究员:一种可降解的压电聚合物用于震动能量采集
2017-12-05 来源:中国流变网    点击次数:20次    

  随着便携式电子产品的发展,对自驱动电子设备的需求已经成为下一代电子成品最热门的焦点之一。一种有效的能量收集方法是利用压电材料从环境中收集能量。

  通常,聚偏氟乙烯(PVDF)压电聚合物材料是传感器、换能器和能量采集应用中最常用的材料。然而,PVDF在温度高于75℃时会丧失压电性。聚乳酸(PLA)是一种生物可降解的聚合物,可以通过乳酸单体进行开环聚合来合成。而单体可以通过细菌发酵从糖和淀粉中提取。根据之前的研究,经过处理的聚左旋乳酸(PLLA)具有优良的压电特性,可以用于传感器、驱动器和能量收集等应用。 

  最近,中国科学院北京纳米能源与系统研究所任凯亮研究员的团队发现在低频震动下,双层的PLLA膜可以产生大约10μW的功率输出。此外,任凯亮研究员的团队还发现,经过140℃热处理后的PLLA不需要额外的极化过程,仍然保持很高的压电性。在研究探索前,先利用理论方程对PLLA悬臂梁进行仿真,根据材料的特性和器件尺寸计算出了谐振频率。通过PLLA膜和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底之间的长度比,厚度比以及悬臂梁顶端的负载,计算了实现最佳输出的条件和谐振频率。 

  此外,基于理论结果设计并制作了双层PLLA的悬臂梁。通过溶液浇铸法制备PLLA膜之后,在膜的两侧溅射涂覆Au电极,并使用环氧树脂粘贴到PET衬底的顶部。在PET衬底的自由端粘附上负载质量块就形成了悬臂结构。 

  使用由函数发生器和放大器驱动的振动器对悬臂梁进行测试。测试结果显示,在约50Hz的振动下,基于PLLA的悬臂装置产生约14μW的功率。接下来,通过实验室设计的全波整流电路对输出信号进行整流,利用整流后的PLLA悬臂信号在7.5小时内将8mAh的锂离子电池充电至3.2V。储存在锂离子电池中的电能可以点亮30个LED,亮一分钟。 

a) PLLA / PET悬臂梁的横截面示意图;b) 用于测试PLLA / PET悬臂的测试系统图示;c) PLLA悬臂在稳定的振动激励下为锂电池充电的电池电压随时间变化曲线,插图显示30个LED被充电后的锂电池点亮;d) 柔性悬臂输出能量与衬底顶端负载质量块和长度比Lp / Lb (PLLA / PET层的长度)的关系。 

  这项研究,“基于PLLA的热稳定悬臂梁用于振动能量收集”最近发表在Advanced Sustainable Systems上。 

  论文链接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.201700068/abstract

 
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