新型海绵状多孔压电高分子薄膜的设计、制备及其在柔性纳米发电机中的应用研究

Piezoelectric polymer materials can be used to assemble flexible piezoelectric nanogenerators, and hold great potentials in application of self-powered electronic systems. However, its low electric output is the main obstacle for the application. This project aims at the problems of low electric output of piezoelectric polymer materials. It is proposed to introduce nanopores into polyvinylidene fluoride (PVDF) and other piezoelectric polymer thin films. The nanoporous structure is used to improve the mechanical property of piezoelectric polymer thin films and thus enhance their piezoelectric output performance. A casting-acid etching method will be used to fabricate sponge-like nanoporous piezoelectric polymer thin films with large area. The effects of the nanoporous structure on the mechanical property and piezoelectric output performance of thin films will be systematically studied and elucidated. The prepared nanoporous piezoelectric polymer thin film will be used to assemble flexible piezoelectric nanogenerator, which will be integrated onto an electronic device for operating the device. This research will provide valuable theoretical and experimental evidence for developing integrated self-powered electronic systems.

压电高分子材料能够用于组装柔性的压电纳米发电机，在自驱动器件系统中具有十分重要的应用前景，但其电输出性能低是制约其应用的主要瓶颈。本项目针对压电高分子材料的电输出性能较低的问题，拟通过在聚偏氟乙烯等压电高分子薄膜中引入纳米多孔结构，改善材料的力学性质，从而提高其电输出性能。拟采用浇注-酸刻蚀的方法制备具有海绵状纳米多孔结构的大面积压电高分子薄膜；系统研究并阐明多孔结构对薄膜的力学性质以及电输出性能的影响规律与调控机制。基于所制备的多孔压电高分子薄膜组装柔性的压电纳米发电机，将其与电子器件进行一体化结合，实现电子器件的自驱动，为发展一体化的自驱动器件系统提供重要的理论与实验依据。

纳米发电机作为一种新型的能源器件，能够把周围环境中的机械能转换为电能，在构建自驱动器件系统方面具有十分重要的应用前景。本项目利用简便的模板法制备了具有海绵状多孔结构的大面积高分子薄膜，并基于多孔薄膜组建了柔性的纳米发电机。通过可控制备具有不同多孔结构的薄膜，系统研究了高分子薄膜的多孔性与其在纳米发电机中电输出性能的联系与规律，并将柔性的高分子纳米发电机与电子器件结合，实现电子器件的自驱动，构建了新型的自驱动器件系统。基于所制备的多孔高分子薄膜开发了一种柔性的纳米发电机，与基于无孔薄膜的纳米发电机相比，该纳米发电机具有显著增强的电输出性能。这种纳米发电机能够由人的手掌驱动，所产生的电能可以瞬间点亮5个绿光发光二极管(light emitting diode, LED)。基于多孔高分子薄膜和纸张组建了一种柔性的纸基纳米发电机，当翻动书页时，集成在书中的纳米发电机产生的电能可以点亮80个白光LED，为在黑暗中阅读文本提供足够的照明。开发了一种具有编制结构的纳米发电机，当人们在行走或跑步摆动手臂时，集成在衣服上的编制结构纳米发电机产生的电能可以驱动一个LED夜跑灯和电子表。组建了一种可以由人体呼吸驱动的纳米发电机，该纳米发电机可以有效地识别人体的呼吸类型，并且进一步构建了一个智能无线呼吸监测警报系统。这些研究为发展新型的自驱动器件系统提供了一定的理论和实验依据。