P(VDF-TrFE)/Fe3O4磁电聚合物的能量转换性能研究

After high voltage corona discharge, the functional dielectric material, P(VDF-TrFE)/Fe3O4, has a lot of advantages such as light weight, excellent flexibility and high magnetoelectric (ME) effect, which can realize the linear passive current measurement and make them have a broad application prospects in the field of current sensing and magnetic field detection. However, the research on important factors of corona polarization influencing ME energy conversion are insufficient. And the controlling principle of enhanced ME effect is still unclear. ME energy conversion property could be controlled by polarization parameters of stretching temperature controlling corona discharge and space charge, which provides a effective solution for current sensor in electrical engineering. The aim of this project is exploring the flexible nano magnetoelectric composites with high ME energy conversion properties. The magnetoelectric coupling between paramagnetic nano particle and strain induced by Lorenz force will be investigated through the relationship among the injected space charge, formed electric dipole, crystallinity and dielectric properties. Thus, the magnetoelectric energy conversion ability could be controlled by adjusting corona poling parameters, and the magnetoelectric effect could be enhanced. The results of the project could provide the development and the application of sensing system based on novel functional dielectrics with the important theoretical and technical supports.

高压电晕放电后的P(VDF-TrFE)/Fe3O4功能电介质材料具有轻质、柔韧性高、磁电转化性能强、线性无源量测等诸多优点，在电流传感、磁场探测等领域具有广阔的应用前景。目前，对电晕极化参量影响磁电换能特性重要因素的研究仍有欠缺，对制约材料能量转换性能提升的磁电效应微观调控机理尚不明晰。通过设定合理的温控拉伸电晕极化参数，控制其内部空间电荷，进而定量调节材料磁电转换性能的方案，为电流传感的关键问题提供了有效解决途径。本项目拟开展针对柔性纳米磁电聚合物磁—电能量转换效应的研究，通过探索宏观磁电转换性能与微观空间电荷分布、结晶度间的相互关系，定量揭示超顺磁纳米颗粒与洛伦兹力诱导应变协同作用下的磁电耦合机理，调控重要极化参数，达到增强功能材料磁电能量转换效应的目的。该研究将为推动新型功能电介质在电力传感中的应用和发展提供重要的理论基础和技术支持。

信息感知作为智能电网发展和应用中的一个重要环节，是电网安全稳定运行的基础。因此，感知材料的研制成为重中之重。同时，便携式可穿戴装备的发展对柔性能量收集设备提出了新的要求。基于此，本项目提出了P(VDF-TrFE)/Fe3O4柔性磁电聚合物模型，并从材料成分、制备工艺、形状效应、电极材料、掺杂浓度等方面开展深入研究。构建了P(VDF-TrFE)/Fe3O4磁电聚合物薄膜制备平台与交直流磁场发生系统，并对材料浓度、退火温度与时间进行深入研究。建立了形状效应模型与电极材料模型，研究了Fe3O4纳米颗粒的磁电增强效应，得到不同Fe3O4纳米颗粒浓度对柔性薄膜磁电增强效应的影响。主要研究结果如下：1）建立了形状效应下磁电复合材料的仿真模型。对磁电复合材料中产生的涡流和压电电压进行了分析，验证了模型的有效性。得到了尺寸效应下矩形试样的磁电电压系数高于圆形材料的规律。研究了形状效应下聚合物极化特性与表面电荷动态衰减和空间电荷存储的重要电学微观行为规律。表面电位从试样中心向边缘逐渐减小。试样表面电荷随时间的增加呈现整体衰减趋势。2）研究电极电导率对磁电输出特性的影响，得到磁电电压与电极电导率之间的关系。实验结果表明电导率增大有利于输出电压的提高。3）柔性磁电PVDF-TrFE/Fe3O4纳米复合材料研究，Fe3O4纳米颗粒的适量掺杂可以增强P(VDF-TrFE)纳米复合材料在交直流磁场作用下的能量转换效率。以上研究基于智能电网发展需求，为柔性智能传感的研究提供支撑，为便携式可穿戴装备的发展提供理论基础，具有广阔的应用前景，同时，也为磁电式非易失性存储器的研发提供思路。该研究为推动纳米功能电介质在电力传感中的应用和发展提供重要的理论基础和技术支持。