西南交大楊維清&呂軍Nano Energy：一種基于免極化、新型高結晶β-PVDF壓電納米發電機的自驅動加速度傳感器

【引語】

壓電加速度傳感器在大型機械結構測試、國防、交通運輸、汽車工業、生物醫療器械等領域發揮著至關重要的作用。通常，商用壓電加速度傳感器由性能優異的壓電陶瓷制成，如鋯鈦酸鉛（PZT）。然而，由于固有的脆性，壓電陶瓷加速度傳感器的應用受到劇烈沖擊，高剪切力和其他極端服役環境的很大限制。更重要的是，PZT的極化是一種高耗能過程，但卻必不可少。而聚偏氟乙烯（PVDF），作為一種代表性的壓電聚合物，由于其優異的抗沖擊性和韌性是另一個不錯的選擇。然而，其壓電性能不夠強，導致傳感器的靈敏度較低。在此，將免極化、壓電增強型PVDF應用于高靈敏度加速度傳感器來滿足高沖擊的苛刻要求是令人期待的。

【成果簡介】

近日，西南交通大學楊維清課題組與呂軍教授課題組（共同通訊作者）共同研制了一種基于免極化、新型高結晶β-PVDF（hβ-PVDF）壓電納米發電機（PENG）的自驅動加速度傳感器。這種高壓熔體結晶制備的hβ-PVDF的β相的結晶度高達86.48％。此外，在制備過程中形成了納米片的結構，表現出壓電增強性（短路電流密度可達145 nA·cm^-2）。在5m / s²到30m / s²的外部加速度下，制備的傳感器輸出電流和加速度之間呈現出線性關系，并且具有高達2.405nA·s²·m^-1的高靈敏度。在4 Hz的頻率下，10000次循環后PENG的短路電流仍然保持97％，顯示出良好的穩定性。自驅動的3D加速度傳感器集成了三個PENG，可用于任何方向的矢量加速度測量。此外，還開發了用于車輛監控系統實時3D頻率和加速度傳感器系統，以避免車輛事故時的人員傷亡。這為解決汽車安全監控和汽車安全系統中存在的問題提供了經驗參考。長遠來看，hβ-PVDF和高靈敏度器件的簡單工藝為許多領域的商業化生產提供了潛力，如運輸，自供電設備，能量收集等。相關工作以題為“Polarization-Free High-Crystallization β-PVDF Piezoelectric Nanogenerator Toward Self-Powered 3D Acceleration Sensor”發表在Nano Energy上。

【圖文導讀】

圖一 器件結構與材料制備過程

（a）封裝完成的器件結構圖

（b）封裝完成的器件照片

（c）一維器件結構圖

（d）hβ-PVDF制備過程

（e）hβ-PVDF的納米片結構SEM圖

圖二 不同制備方法的材料晶體表征

（a）不同制備方法的DSC結果分析

（b）不同制備方法的WAXD結果分析

（c）不同制備方法的ATR-FTIR結果分析

（d）原料與不同制備方法的材料照片

圖三 工作原理與相關電學性能測試

（a）加速度傳感器工作原理

（b）3Hz頻率下的短路電流圖

（c）不同外加頻率與測試頻率關系圖

（d）5 m/s² to 30 m/s²不同加速度下的加速度-電流關系

（e）5 m/s² to 30 m/s²不同加速度下的加速度-電壓關系

（f）10 m/s²條件下循環10000周的穩定性測試

圖四 三維矢量加速度測試研究

（a，b）在坐標軸上，外加矢量加速度與測得加速度關系

（c，d）在一個坐標平面內，外加矢量加速度與測得加速度關系

（e，f）在三維空間中，外加矢量加速度與測得加速度關系

圖五 3D加速度傳感器在動態車輛檢測系統中的應用

（a）3D動態頻率、加速度測量系統界面

（b）傳感器置于卡車模型上的監測數據

（c）卡車模型撞在棉花上的示意圖

（d）卡車模型撞在硬質板上的示意圖

（e）系統算法流程圖

文獻鏈接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518303835

本文由楊維清課題組供稿。

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