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中科院北京納米所任凱亮研究員:一種可降解的壓電聚合物用于震動(dòng)能量采集
2017-12-05  來源:中國(guó)聚合物網(wǎng)

  隨著便攜式電子產(chǎn)品的發(fā)展,對(duì)自驅(qū)動(dòng)電子設(shè)備的需求已經(jīng)成為下一代電子成品最熱門的焦點(diǎn)之一。一種有效的能量收集方法是利用壓電材料從環(huán)境中收集能量。

  通常,聚偏氟乙烯(PVDF)壓電聚合物材料是傳感器、換能器和能量采集應(yīng)用中最常用的材料。然而,PVDF在溫度高于75℃時(shí)會(huì)喪失壓電性。聚乳酸(PLA)是一種生物可降解的聚合物,可以通過乳酸單體進(jìn)行開環(huán)聚合來合成。而單體可以通過細(xì)菌發(fā)酵從糖和淀粉中提取。根據(jù)之前的研究,經(jīng)過處理的聚左旋乳酸(PLLA)具有優(yōu)良的壓電特性,可以用于傳感器、驅(qū)動(dòng)器和能量收集等應(yīng)用。 

  最近,中國(guó)科學(xué)院北京納米能源與系統(tǒng)研究所任凱亮研究員的團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)在低頻震動(dòng)下,雙層的PLLA膜可以產(chǎn)生大約10μW的功率輸出。此外,任凱亮研究員的團(tuán)隊(duì)還發(fā)現(xiàn),經(jīng)過140℃熱處理后的PLLA不需要額外的極化過程,仍然保持很高的壓電性。在研究探索前,先利用理論方程對(duì)PLLA懸臂梁進(jìn)行仿真,根據(jù)材料的特性和器件尺寸計(jì)算出了諧振頻率。通過PLLA膜和聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底之間的長(zhǎng)度比,厚度比以及懸臂梁頂端的負(fù)載,計(jì)算了實(shí)現(xiàn)最佳輸出的條件和諧振頻率。 

  此外,基于理論結(jié)果設(shè)計(jì)并制作了雙層PLLA的懸臂梁。通過溶液澆鑄法制備PLLA膜之后,在膜的兩側(cè)濺射涂覆Au電極,并使用環(huán)氧樹脂粘貼到PET襯底的頂部。在PET襯底的自由端粘附上負(fù)載質(zhì)量塊就形成了懸臂結(jié)構(gòu)。 

  使用由函數(shù)發(fā)生器和放大器驅(qū)動(dòng)的振動(dòng)器對(duì)懸臂梁進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果顯示,在約50Hz的振動(dòng)下,基于PLLA的懸臂裝置產(chǎn)生約14μW的功率。接下來,通過實(shí)驗(yàn)室設(shè)計(jì)的全波整流電路對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行整流,利用整流后的PLLA懸臂信號(hào)在7.5小時(shí)內(nèi)將8mAh的鋰離子電池充電至3.2V。儲(chǔ)存在鋰離子電池中的電能可以點(diǎn)亮30個(gè)LED,亮一分鐘。 

a) PLLA / PET懸臂梁的橫截面示意圖;b) 用于測(cè)試PLLA / PET懸臂的測(cè)試系統(tǒng)圖示;c) PLLA懸臂在穩(wěn)定的振動(dòng)激勵(lì)下為鋰電池充電的電池電壓隨時(shí)間變化曲線,插圖顯示30個(gè)LED被充電后的鋰電池點(diǎn)亮;d) 柔性懸臂輸出能量與襯底頂端負(fù)載質(zhì)量塊和長(zhǎng)度比Lp / Lb (PLLA / PET層的長(zhǎng)度)的關(guān)系。 

  這項(xiàng)研究,“基于PLLA的熱穩(wěn)定懸臂梁用于振動(dòng)能量收集”最近發(fā)表在Advanced Sustainable Systems上。 

  論文鏈接:http://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adsu.201700068/abstract

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