異質(zhì)三明治結(jié)構(gòu)柔性薄膜壓電納米發(fā)電機(jī)研究

梁 琨，李銀輝，李朋偉

(太原理工大學(xué) 微納系統(tǒng)研究中心，山西 太原 030024)

0 引言

在過去的幾十年中，全球化石能源過渡消耗，亟需發(fā)展新能源可替新技術(shù)。目前人們?cè)噲D通過水力發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、太陽能、潮汐等清潔可再生能源逐步取代石油煤礦等不可再生傳統(tǒng)能源[1]。壓電材料根據(jù)正壓電效應(yīng)可將環(huán)境中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，從而實(shí)現(xiàn)能量轉(zhuǎn)換[2]。與壓電單晶和壓電陶瓷材料相比，柔性聚合物基壓電材料具有柔性、優(yōu)良的加工性和良好的電學(xué)性能[3]，有望成為柔性壓電能量采集器開發(fā)的首選材料之一，為可穿戴電子設(shè)備供電[4]。

為了提高純聚偏氟乙烯(PVDF)壓電復(fù)合薄膜的輸出性能，在壓電聚合物中引入導(dǎo)電相材料。石墨烯作為一種新型導(dǎo)電碳材料，是制作納米電子與光電器件的潛在材料，其具有導(dǎo)電性高及比表面積大等特點(diǎn)[5]，常作為導(dǎo)電相納米材料與PVDF復(fù)合，提高了壓電納米發(fā)電機(jī)的輸出性能[6]。壓電聚合物摻雜一定質(zhì)量比的石墨烯(rGO)后，聚合物/rGO復(fù)合納米發(fā)電機(jī)輸出性能得到明顯提高[7]，如Manojit Pusty等[8]通過溶液澆鑄法成功合成了基于 rGO-Ag/PVDF 的納米復(fù)合材料，將輸出電壓穩(wěn)定在5 V左右，且提高了其介電常數(shù)等。Sumanta Kumar Karan等[9]采用溶液澆筑技術(shù)制備了非電極化Fe摻雜rGO/PVDF納米復(fù)合膜，通過人類手指重復(fù)施加壓力，可提供高達(dá)5.1 V和0.25 μA的開路電壓與短路電流。

由于聚合物/碳納米材料復(fù)合壓電薄膜的輸出性能偏低，因此，基于聚合物/碳納米材料復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)改性成為了另一個(gè)研究方向。層層堆疊的異質(zhì)結(jié)構(gòu)的輸出性能有明顯提高，如Jing Fu等[10]將填充有FeTiNbO6(FTN)半導(dǎo)體顆粒的PVDF薄膜作為中間層，純PVDF薄膜作為上下層，通過熱壓技術(shù)制備了相應(yīng)的 PVDF-FTN/PVDFx-PVDF 致密復(fù)合材料，引入特殊的夾層結(jié)構(gòu)并結(jié)合FTN粒子，有利于增強(qiáng)PVDF中界面極化和電活性的含量。結(jié)果表明，層狀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可提高壓電復(fù)合納米發(fā)電機(jī)的輸出性能。

本文采用層層堆疊方式設(shè)計(jì)了三明治異質(zhì)結(jié)構(gòu)，制備了基于PVDF/rGO的復(fù)合納米發(fā)電機(jī)，探究了導(dǎo)電層石墨烯摻雜量輸出特性的變化關(guān)系。在循環(huán)測(cè)試中，復(fù)合壓電納米發(fā)電機(jī)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與耐用性，有望廣泛應(yīng)用于人體健康、環(huán)境監(jiān)測(cè)、人機(jī)交互、個(gè)人電子及生物診斷等大規(guī)模系統(tǒng)中。

1 實(shí)驗(yàn)部分

1.1 PVDF/rGO復(fù)合薄膜的制備

為了制備旋涂液，實(shí)驗(yàn)中將不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)(0、0.2%、0.4%、0.6%、0.8%、1.0%)的石墨烯(純度99.00%)超聲分散在N,N二甲基甲酰胺(DMF)溶劑中得到混合均勻的溶液，然后加入PVDF進(jìn)行攪拌，最后形成混合均勻的摻雜不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PVDF/rGO溶液。采用旋涂法制備了摻雜不同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的PVDF/rGO復(fù)合薄膜PVDF/rGOX(質(zhì)量分?jǐn)?shù)X=0，0.2%，0.4%，0.6%，0.8%，1.0%)。將PVDF/rGO旋涂液進(jìn)行旋涂，制得PVDF/rGO復(fù)合濕膜，將其放到電熱板上進(jìn)行固化，隨后采用油浴極化法對(duì)復(fù)合薄膜進(jìn)行極化，設(shè)置極化電壓為14 kV/cm，極化溫度為60 ℃，極化3 h。

1.2 PVDF/rGO納米發(fā)電機(jī)的制備

為了測(cè)試不同復(fù)合薄膜的輸出特性，采用相同厚度與大小的薄膜樣品進(jìn)行壓電納米發(fā)電機(jī)(PNG)的制備。制備過程：首先在復(fù)合薄膜的兩面分別封裝大小合適的銅導(dǎo)電膠帶(在銅導(dǎo)電膠帶的兩側(cè)引出導(dǎo)線)作為電極，隨后在上下表面的最外層各封裝一層聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)，用于保護(hù)PNG。采用層層堆疊法封裝基于PVDF/rGOX-PVDF-PVDF/rGOX的納米發(fā)電機(jī)。封裝效果圖如圖1所示。

圖1 PVDF/rGOX-PVDF-PVDF/rGOX三層復(fù)合納米發(fā)電機(jī)封裝示意圖

1.3 柔性納米發(fā)電機(jī)的壓電性能電學(xué)測(cè)試

實(shí)驗(yàn)中采用信號(hào)發(fā)生器(agilent-33522A)連接功率放大器(PA-1200)。由信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生頻率為10 Hz的正弦波信號(hào)，然后通過功率放大器輸入激振器(ESS-025)中產(chǎn)生振動(dòng)(同時(shí)采用相同的測(cè)試條件)，對(duì)PNG產(chǎn)生規(guī)律性敲擊以產(chǎn)生形變，將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，再通過示波器(DPO-3012)收集其產(chǎn)生的電壓輸出信號(hào)，通過數(shù)字源表(KEITHLEY-2400)收集其產(chǎn)生的電流信號(hào)。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 PVDF/rGO復(fù)合薄膜形貌結(jié)構(gòu)分析

圖2為PVDF薄膜和PVDF/rGO復(fù)合薄膜的X線衍射(XRD)圖譜。由圖可以看出，在衍射角2θ=20.3°處出現(xiàn)β相PVDF的(110)晶面特征衍射峰[12]；PVDF/rGO0.4復(fù)合薄膜中，在2θ=20.3°出現(xiàn)β相PVDF(100)晶面的特征衍射峰，在2θ=26.6°出現(xiàn)rGO的(002)晶面的特征衍射峰[13]，說明rGO已與PVDF成功復(fù)合。

圖2 PVDF薄膜與PVDF/rGO復(fù)合薄膜的XRD圖譜

圖3為PVDF/rGO復(fù)合薄膜單層與三層堆疊斷面結(jié)構(gòu)的掃描電鏡(SEM)圖譜。由圖可知，單層PVDF/rGO復(fù)合薄膜厚約60 μm;三層堆疊結(jié)構(gòu)的PVDF/rGO復(fù)合薄膜中，一層與三層為PVDF/rGO0.4復(fù)合薄膜，中間層為純的PVDF,每層復(fù)合薄膜的厚度均勻(約20 μm)，三層堆疊設(shè)計(jì)后總厚約60 μm，說明制備的薄膜厚度均勻可控。

圖3 PVDF/rGO復(fù)合薄膜橫截面SEM圖譜

2.2 PVDF/rGO復(fù)合薄膜的壓電特性分析

為了確定PVDF/rGO中rGO的最佳摻雜量，分別對(duì)不同質(zhì)量比的單層PVDF/rGO復(fù)合薄膜進(jìn)行了開路電壓和短路電流的輸出測(cè)試，結(jié)果如圖4所示。

圖4 不同rGO摻雜量的單層PVDF/rGOX復(fù)合薄膜開路電壓與短路電流輸出圖

隨著石墨烯摻雜量的變化，在摻雜量X<0.4%時(shí)，單層PVDF/rGO復(fù)合薄膜的開路電壓從1.12 V增加到1.76 V，短路電流從0.14 μA增加到0.18 μA。由此發(fā)現(xiàn)，引入rGO可提高PVDF的輸出，其特性可用滲流理論解釋。因?yàn)镻VDF本身具有壓電性，在摻雜rGO時(shí)，rGO作為導(dǎo)電相，促進(jìn)了極化電荷轉(zhuǎn)移。當(dāng)X<0.4%時(shí)，隨著導(dǎo)電相的添加，增強(qiáng)極化電荷向薄膜表面轉(zhuǎn)移，復(fù)合薄膜的輸出特性增強(qiáng)。當(dāng)X>0.4%時(shí)，單層PVDF/rGO復(fù)合薄膜的開路電壓從1.76 V降至1 V，開路電流從0.18 μA降至0.1 μA。隨著X增大，薄膜的導(dǎo)電性增強(qiáng)，但表面電荷的利用率減少，輸出性能減弱。因此,當(dāng)X=0.4%時(shí)，單層PVDF/rGO復(fù)合薄膜的輸出性能最優(yōu)，其輸出電壓為純PVDF薄膜電壓的1.6倍。

為驗(yàn)證PVDF/rGO PNG壓電輸出特性是由機(jī)械形變產(chǎn)生，故對(duì)其進(jìn)行了極性反轉(zhuǎn)實(shí)驗(yàn)，結(jié)果如圖5所示。在正向連接中，正相電壓約1.78 V，反向電壓約-0.68 V；在反向連接中，正相電壓約0.66 V，反向電壓約-1.76 V。這說明正相連接與反向連接的開路輸出電壓基本保持一致。

圖5 單層PVDF/rGO0.4的正向與反向連接的開路電壓輸出圖

構(gòu)建PVDF/rGOX層層組裝的異質(zhì)三層納米發(fā)電機(jī)，設(shè)計(jì)為導(dǎo)電層-介電層-導(dǎo)電層的三明治結(jié)構(gòu)(PVDF/rGOX-PVDF-PVDF/rGOX)的PVDF/rGO復(fù)合薄膜，在圖中簡(jiǎn)記為X-0-X，其中X代表摻雜不同rGO的PVDF/rGO復(fù)合薄膜。在層層組裝的異質(zhì)結(jié)構(gòu)中，分別對(duì)三層堆疊復(fù)合薄膜進(jìn)行開路電壓與短路電流的輸出測(cè)試，結(jié)果如圖6所示。

圖6 PVDF/rGOX-PVDF-PVDF/rGOX復(fù)合薄膜的開路電壓與短路電流輸出圖

由圖6可知，三層堆疊PVDF薄膜輸出電壓高達(dá)5.24 V，比單層的PVDF薄膜提高了4.68倍。隨著導(dǎo)電層PVDF/rGOX復(fù)合薄膜中rGO的摻雜量X從0增加到0.2%,再增加到0.4%，其開路電壓從5.24 V增加到7.72 V，短路電流從0.54 μA增加到0.69 μA。在三層結(jié)構(gòu)中主要是層間電場(chǎng)效應(yīng)的影響，層間電場(chǎng)效應(yīng)是當(dāng)壓電復(fù)合薄膜受到垂直外力作用時(shí)，壓電材料內(nèi)部的偶極子正負(fù)電荷中心出現(xiàn)偏移,從而發(fā)生極化。在三層結(jié)構(gòu)中,當(dāng)復(fù)合薄膜受外力作用時(shí)，復(fù)合薄膜的界面產(chǎn)生層間微電場(chǎng)[13]。三層結(jié)構(gòu)的堆疊促進(jìn)了層與層間產(chǎn)生微電場(chǎng)效應(yīng)，微電場(chǎng)效應(yīng)促進(jìn)了電荷的積累，從而增強(qiáng)了層間電場(chǎng)，層間電場(chǎng)會(huì)吸引上下表面的電子，當(dāng)外力撤銷時(shí)，積累的電子向相反方向運(yùn)動(dòng)，從而增強(qiáng)了復(fù)合壓電薄膜的壓電輸出性能[14]。同時(shí)，隨著導(dǎo)電層rGO摻雜量X的增加，電子易向薄膜表面遷移，增強(qiáng)電子的利用率。當(dāng)導(dǎo)電層PVDF/rGOX復(fù)合薄膜摻雜量X從0.4%增加到1.0%時(shí)，其開路電壓從7.72 V降至4.84 V，短路電流從0.69 μA降至0.46 μA。這種現(xiàn)象可能是由于滲流原理引起[15]。隨著導(dǎo)電層rGO摻雜量X的增加，rGO的存在會(huì)促進(jìn)電荷的轉(zhuǎn)移，而電荷的轉(zhuǎn)移可能會(huì)產(chǎn)生飽和狀態(tài)。當(dāng)導(dǎo)電層rGO摻雜量X從0.4%增加到1.0%時(shí)，其壓電性能輸出減少。因此，三層異質(zhì)復(fù)合PNG在0.4-0-0.4時(shí)最大開路電壓為7.72 V，最大短路電流為0.69 μA。

隨著負(fù)載電阻R的增加，三層復(fù)合薄膜的負(fù)載電壓U不斷增加，同時(shí)其輸出特性與PVDF/rGOX-PVDF-PVDF/rGOX復(fù)合薄膜PNG的開路電壓、短路電流的變化趨勢(shì)基本保持一致，結(jié)果如圖7(a)所示。隨著導(dǎo)電層rGO摻雜量X的逐漸增加，PVDF/rGOX-PVDF-PVDF/rGOX復(fù)合薄膜PNG負(fù)載電壓U先增加后減少，在PVDF/rGO0.4-PVDF-PVDF/rGO0.4復(fù)合薄膜PNG輸出電壓最大。PNG的瞬時(shí)功率P=U2/R，結(jié)果如圖7(b)所示。由圖7可知，隨著R的增加，三層異質(zhì)結(jié)構(gòu)PNG的P先增大后減小，當(dāng)R=10 MΩ 時(shí)，PVDF/rGO0.4-PVDF-PVDF/rGO0.4三層異質(zhì)結(jié)構(gòu)PNG的P可達(dá)2.2 μW，是三層純PVDF薄膜PNG輸出功率的1.89倍。

圖7 不同負(fù)載下的三層異質(zhì)納米發(fā)電機(jī)的負(fù)載電壓與輸出功率圖

高擊穿強(qiáng)度使納米復(fù)合材料可在足夠大的電場(chǎng)下應(yīng)用，圖8為納米復(fù)合材料在室溫(25 ℃)下的電滯回線與剩余極化強(qiáng)度變化圖。由圖可知，隨著導(dǎo)電層PVDF/rGOX復(fù)合薄膜中rGO摻雜量X從0增加到0.4%，剩余極化強(qiáng)度從2.39 μC/cm2增加到3.35 μC/cm2，納米復(fù)合材料中剩余極化強(qiáng)度的提高可能是由界面耦合效應(yīng)[11-12]引起的。在施加電場(chǎng)時(shí)，rGO的存在會(huì)引入大量的界面電荷，產(chǎn)生集中的局部電場(chǎng)，提高極化效率。在導(dǎo)電層PVDF/rGOX復(fù)合薄膜中，rGO摻雜量X從0.4%增加到1.0%時(shí)，剩余極化強(qiáng)度從3.35 μC/cm2減少到1.61 μC/cm2，由于界面的合并，極化電荷可能達(dá)到飽和狀態(tài)，因此，在X=0.4%時(shí)出現(xiàn)臨界狀態(tài)。

圖8 PVDF/rGOX-PVDF-PVDF/rGOX三層異質(zhì)PNG的電滯回線與剩余極化強(qiáng)度

2.3 PVDF/rGO三層異質(zhì)PNG穩(wěn)定性測(cè)試

為了評(píng)估PVDF/rGOX-PVDF-PVDF/rGOX三層異質(zhì)結(jié)構(gòu)PNG的機(jī)械穩(wěn)定性，采用循環(huán)敲擊實(shí)驗(yàn)進(jìn)行測(cè)試(頻率為10 Hz)，如圖9所示。由圖可知，經(jīng)過4 000次循環(huán)敲擊測(cè)試，PVDF/rGOX-PVDF-PVDF/rGOX三層異質(zhì)PNG的開路電壓無明顯下降，表明PVDF/rGOX-PVDF-PVDF/rGOX三層異質(zhì)PNG具有良好的機(jī)械穩(wěn)定性。

圖9 0.4-0-0.4 PVDF/rGO復(fù)合薄膜的穩(wěn)定性

3 結(jié)束語

本文將無機(jī)碳納米材料rGO摻雜到柔性壓電材料PVDF中，制備了PVDF/rGO復(fù)合薄膜。測(cè)試單層復(fù)合薄膜的輸出性能，在單層復(fù)合薄膜中，隨著rGO摻雜量的變化，復(fù)合薄膜的輸出特性表現(xiàn)出先增大后減小，在rGO摻雜量為0.4%時(shí)，開路電壓與短路電流達(dá)到最優(yōu)值，分別為1.76 V與0.18 μA。在PVDF/rGOX-PVDF-PVDF/rGOX三層異質(zhì)PNG中，在導(dǎo)電層PVDF/rGOX復(fù)合薄膜中rGO摻雜量為0.4%時(shí)，復(fù)合納米發(fā)電機(jī)開路電壓達(dá)到7.72 V，短路電流達(dá)到0.69 μA，比單層PVDF的開路電壓與短路電流分別提高了6.89倍，4.87倍。當(dāng)負(fù)載電阻為10 MΩ時(shí)，復(fù)合壓電納米發(fā)電機(jī)的最大輸出功率達(dá)到2.2 μW。在穩(wěn)定性測(cè)試中，復(fù)合納米發(fā)電機(jī)表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性與耐用性，其有望在柔性電子皮膚，柔性可穿戴器件及自供電傳感器中得到廣泛應(yīng)用。