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北石化師奇松/北服張文娟 CEJ:納米限域極化釘扎效應增強PVDF-HFP的壓電效應制備柔性壓電傳感器
2024-11-15  來源:高分子科技

  近年來大數據,云計算發展迅速,ChatGPTAI模型的發展,標志著人工智能的到來,它們將重新定義我們與物理世界的交互方式,將物理世界與人工智能連接的核心技術之一便是柔性傳感器;許多機器學習算法是基于傳感器進行的,比如卷積神經網絡(CNN,人工神經網絡(ANN)以及循環神經網絡(RNN);這些算法通過對傳感器得到的電信號進行處理,除去異常值,去噪并進行歸一化處理,將電信號轉換成易于模型分析的數據集,在這個過程中電信號的采集對于傳感器具有較高的要求,比如高靈敏度,高分辨率,低的漂移,以及良好的循環穩定性;傳統的剛性傳感器具有良好的循環穩定性與準確性,但剛性傳感器難以彎曲,在人機交互領域無法滿足需求,而柔性傳感器可以彎曲適應各種曲面,更加貼合人體曲線,能夠很好地與人體或物體配合,提供舒適的體驗;柔性壓電傳感器作為柔性傳感器的一個分支,將物理信號轉化為機器可識別的電信號,利用壓電效應制造的壓電傳感器具有很高的靈敏度,能夠檢測微小的壓力變化,在醫療診斷、運動監測等領域能夠提供精確的數據;與傳統的剛性傳感器相比,柔性壓電傳感器更輕、更靈活,能夠以更便捷的方式集成到衣物、配件、或其他設備中,提高了便攜性和舒適度,可以廣泛應用于智能穿戴、虛擬現實、人機交互、醫療健康監測等領域。


  近日,北京石油化工學院師奇松副教授/北京服裝學院張文娟教授在《Chemical Engineering Journal》期刊上發表論文A new theory, Nanoscale Confinement Polarization Pinning effect for enhancing piezoelectricity of PVDF-HFP, to fabricate piezoelectric sensor for exercise assistance 研究通過熱溶劑法將金屬有機框架UIO-66-NO2 裝載到片層MoS2表面,控制Mo金屬與Hf金屬比例,得到的了不同結構的UIO-66/MoS2 異質結,使用紫外與電化學阻抗(EIS)計算了半導體UIO-66MoS2的帶隙與價帶,證明形成了型異質結;將UIO-66MoS2與異質結加入PVDF-HFP中進行靜電紡絲得到壓電薄膜;對異質結增強壓電效應的機理進行探索,提出Nanoscale Confinement Polarization Pinning (NCPP) theory,拓寬了由多孔類金屬有機框架與導體或者半導體構成的異質結在增強壓電高分子壓電效應領域的應用,并提供理論支持。



  壓電納米纖維的壓電β 相含量從 69% 增加到 89.3%,壓電系數 d33 增加了兩倍。獲得的壓電傳感器靈敏度為 0.183 V kPa-1,在循環使用 3000 次后仍表現出極佳的穩定性,能夠感應人體脈搏,在健康監測和輔助運動領域具有廣闊的應用前景。


1. (a)-(c) MOFMoS2MOF@MoS2FTIR光譜,(d) XRD譜圖,(e)紫外可見吸收光譜,(f)-(g) Tauc圖,(h) Mott-Schottky圖,(i)能帶示意圖。


  如圖1所示,MOF紅外特征峰與XRD證明UIO-66的成功合成。圖1d中,在形成異質結后,二硫化鉬與MOF均保留原來的晶體結構。使用紫外漫反射計算二硫化鉬與MOF的帶隙寬度,結合莫特肖特基曲線計算MOF與二硫化鉬的價帶以及導帶,證明異質結內部界面電場的存在。


2. AFM圖像(a) MoS2, (b) MOF, (c) MOF@MoS21:2)的幅值、高度和三維圖像。


  使用原子力顯微鏡觀察材料的表面微觀結構;圖2a顯示了二硫化鉬的表面形貌,直徑約為300nm,厚度約60nm;圖2b顯示UIO-66的表面形貌,顯示UIO-66的直徑約為100nm,高度約為30nm,結晶良好;圖2c顯示了異質結MOF@MoS21:2)的表面形貌,這些小顆粒呈現規整的立方結構,可以確定UIO-66成功生長在二硫化鉬表面,且在二硫化鉬表面的UIO-66直徑約為50nm,屬于納米材料范疇。


3可能的機制和AFM圖像


  圖3 a展示了MOF,二硫化鉬PVDF-HFP分子鏈三者之間可能存在的相互作用,MOF的多孔結構允許PVDF-HFP分子鏈滲入MOF內部,當MOF自組裝在二硫化鉬表面后,內置電場的作用促使MOF內部的分子鏈取向,同時在極化過程中,二硫化鉬相比于MOF更容易受到電場的作用,從而使得PVDF-HFP中電疇取向,進而增強壓電性。將異質結加入PVDF-HFP中進行澆筑,如圖3c與圖3d所示,圖3d是加入異質結后的AFM圖像,說明異質結的加入有助于促進PVDF-HFP結晶。


4. (a)壓電傳感器正接、反接的壓電輸出,(b)不同傳感器壓電輸出,(c)-(d) 0.5% MOF@MoS21:2)傳感器靈敏度,(e)響應和恢復時間,(f)傳感器漂移測試,(g)循環穩定性測試,(h)-(i)傳感器結構圖和光學圖像。


  對制作的壓電傳感器進行性能測試,如圖4a所示,壓電傳感器在2.2kPa的作用力下具有0.3V的輸出電壓。靈敏度為0.183V/kPa。具有10.3ms的響應時間,與18.1ms的恢復時間,在經歷3個月的放置后,壓電性能基本不變,經歷3000的循環后仍然具有優異的循環穩定性。


  論文第一作者為北京石油化工學院新材料與化工學院2022級碩士生張繼炎,論文通訊作者為北京石油化工學院師奇松副教授和北京服裝學院張文娟教授。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.cej.2024.157399

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