可各方向收集振动能量的含金属芯纳米压电纤维结构与自组装制备研究

含金属芯纳米压电纤维具有放射状极化特性，可高效收集环境中各方向随机振动的能量并转变为电能，在实现无线设备、小型电子装置等的电源自给领域有着广阔的应用前景。本项目主要研究含金属芯纳米压电纤维的结构设计与自组装制备，探索一种具各方向振动能量收集特性、并可最大化转变为电能的新型压电材料。拟用COMSOL程序模块探索含金属芯纳米压电纤维的结构特性对其力电耦合性能的影响规律，优化结构参数并用于指导材料的制备；首次采用自组装方法制备含金属芯纳米压电纤维，重点探讨自组装机理与组装方法、自组装过程中影响材料性能的各因素作用方式等，形成材料制备的新理论与新技术。预期制备的含金属芯纳米压电纤维具有高机电耦合特性，能量收集能力可达到当前公开报道的数倍。本项目的研究将为压电式机械振动自供电能提供新材料理论与技术基础，并为新能源的开发与利用提供有益的探索。

含金属芯纳米压电纤维具有放射状极化特性，可收集环境中各方向振动的能量并转变为电能，在实现无线设备、小型电子装置等的电源自给领域有着广阔的应用前景。本项目采用COMSOL程序模块计算了含金属芯纳米压电纤维的结构对其力电耦合性能的影响规律，优化了纤维结构参数并用于指导材料的制备；在材料制备方面，深入研究了基于多孔阳极氧化铝模板（PAA）的纳米金属芯的生长理论与技术，采用电化学沉积技术制备了金属铜与镍纳米线阵列；探讨了高柔韧压电复合材料的最优配比；并采用溶液结晶法将0-3型PZT/PVDF压电复合材料包裹于纳米金属芯阵列表面，获得了含金属芯纳米压电纤维阵列。在此基础上，本项目还推导了适用于该种纤维压电性能计算的相关理论与计算公式。. 研究表明，含金属芯纳米压电纤维的压电充填层越厚，产生的径向变形越小，由变形量所决定的电压也越小；当纤维半径值与纤维长度的比值约为0.2时，可获得最大的输出电压值；单根含金属芯压电纤维生成的电压与作用的力成正比关系，作用0.1MPa的力约可产生120nm的径向位移，这种变形可产生45×10-12V电压；而对单根纤维施加1V的电压则能产生100nm左右的径向位移。PAA模板需采用低浓度的磷酸腐蚀扩孔并用离子喷镀技术对其预处理。恒电位电化学沉积法制备的铜纳米线阵列高度有序，长度均衡一致；恒电流条件下制备一维镍纳米线阵列时则需保持较低电流密度与较高主盐浓度，最终获得的铜和镍纳米线直径约为90nm,长度超过5μm。以PVDF为基体分散添加PZT纳米粉末不仅能保证PVDF的流动性，而且能增强材料的压电性，但过多渗杂PZT粉末会使压电充填材料的脆性增强，材料柔韧性减弱。0-3型压电充填材料在流动状态下能进入PAA模板，经结晶后固化，并完好地包裹住金属芯。但部分纳米PZT粉末由于团聚被阻挡在PAA孔道外，不利于提高纤维的压电性能。. 本项目纳米压电纤维阵列的压电常数（d31）值为-6.528 pC/N，机电耦合系数（K31）为0.206。虽然值不高，但如果能提高PZT纳米粉末在基体中的分散程度，提高压电充填材料的致密程度，则有望进一步提高含金属芯纳米压电纤维的压电性能。本项目的研究将为压电式机械振动自供电能提供新材料理论与技术基础，并为新能源的开发与利用提供有益的探索。