课题基金 / 基金详情

木质纳米纤维的压电特性及原位增强研究

批准号:
32071695
项目类别:
面上项目
资助金额:
58.0 万元
负责人:
袁全平
依托单位:
学科分类:
草种质资源与遗传育种
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
袁全平

项目摘要

结项摘要

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中文摘要
木质纤维素纳米纤丝(CNF)自组装性能优异,备受压电传感器、发电机及驱动器等领域青睐,但其复合膜压电性低限制了在微型集成器件等更广领域的应用,而挖掘和增强其一维尺度的潜在压电和铁电特性是解决此难题的关键。本项目通过改进栅状镀金硅基片稳固安装CNF样品,研究采用压电力显微镜实现单根CNF的压电性和铁电性测试,揭示CNF性质与压电铁电性之间关系,调控ZnO在其表面高取向和均匀原位生长制成CNF-ZnO压电复合纤维,并嵌入聚偏二氟乙烯(PVDF)增强ZnO晶体间应力传递及纤维柔韧性和压电性,构建CNF性质、ZnO晶体结构、CNF-ZnO压电复合纤维之间的关联调控机制,分析揭示CNF、ZnO及PVDF相互增效机理;通过优化拉伸-热压-高电压取向极化,制备高性能柔性CNF-ZnO-PVDF压电复合膜;研究结果将完善木材压电效应理论,促进应用于先进压电器件及木质纳米纤维特性新型检测技术发展。
英文摘要
Wooden cellulose nanofibrils (CNF) have potential applications in piezoelectric sensors, generators and actuators for its excellent self-assembly performance. However, the low piezoelectric properties of its composite membrane have restricted its application in the broader fields of miniaturized and integrated devices. The key to solve this problem is to explore and enhance the potential piezoelectric and ferroelectric properties in its one-dimensional scale. In this project, CNF is stably installed on the improved grating gold-plated silicon substrate, and the piezoelectric and ferroelectric properties of a single CNF is tested and analyzed by using piezoresponse force microscopy, revealing the relationship between the properties of CNF and the piezoelectric ferroelectric, optimizing ZnO in-situ growth with high orientation and uniform on its surface to fabricate CNF-ZnO composite piezoelectric fiber. Moreover, polyvinylidene fluoride (PVDF) is embedded to enhance the stress transfer between ZnO crystals, as well as the flexibility and piezoelectric property of the composite piezoelectric fiber, to construct the correlation regulation mechanism among CNF properties, ZnO crystal structure and CNF-ZnO composite piezoelectric fiber, and to analyze the synergistic mechanism of CNF, ZnO and PVDF. By optimizing stretch-hot pressing-high voltage orientation polarization, the high-performance flexible CNF-ZnO-PVDF piezoelectric composite membrane will be prepared. The research results will improve the piezoelectric effect theory of wood, promoting the development of advanced piezoelectric devices and new-type wooden nanofiber characteristic detection technology.
木质纳米纤维具有压电特性,其在能源领域具有应用潜力,本项目采用TEMPO氧化法制备纤维素纳米纤丝(CNF),分析CNF的压电和铁电特性,控制原位合成工艺在CNF中生长ZnO制备CNF@ZnO复合材料,采用PVDF改善CNF@ZnO的性能,通过压电力显微镜(PFM)等分析了CNF与ZnO、PVDF相互作用和增效机制,探讨了压电复合膜的取向极化工艺及其机制,优化制出柔性CNF@ZnO-PVDF压电复合膜。结果表明,随着CNF氧化程度的增大,羧基含量和表面电势显著增大。PFM表征发现CNF的压电系数(d33)随氧化程度的增大呈现先增大后减小的趋势,最高可达6.34pm∙V-1;良好对称性的振幅-电压回线和近似180°的相位-电压回线表明其具有一定的铁电特性。CNF复合膜的d33达5.85pm∙V-1,与单根CNF结果相似。其中,7CNF复合膜(NaClO量为7mmol∙g-1)在200kV∙cm-1下的剩余极化强度为13.02μC∙cm-2,呈现一定铁电特性;其制成的压电器件的开路电压(VOC)和短路电流(ISC)分别为1V和40nA(45N,2Hz)。CNF的压电效应源于其晶体中的单斜和三斜晶胞,且适量的羧基增强了表面极化改变了晶体对称性,可相对提升压电性能。以CNF为基底原位合成的CNF@ZnO分散均匀,这归因于CNF表面羧基优先固定Zn2+,且CNF交织成的网状结构减少了ZnO在合成过程中的团聚,同时促进ZnO沿c轴择优生长,d33可达9.49pm∙V-1。CNF@ZnO分散液可通过抽滤直接制成复合膜,其拉伸强度达30.36±2.66MPa;在300kV∙cm-1电场下自发极化强度为2.35μC∙cm-2;CNF@ZnO复合膜的d33达12.45pm∙V-1,其制成的压电器件的VOC和ISC分别为4.52V和304nA。同时,CNF表面羧基的负电荷和ZnO的成核作用均有利于PVDF压电相的形成;PFM分析表明CNF@ZnO-PVDF的d33随PVDF含量的增大呈现出先增大后减小的趋势,最高可达15.76pm∙V-1。热压-拉伸-高电压联合极化工艺有效提高复合膜压电性能,d33提高至23.22pm∙V-1,VOC和ISC达到7.2V和451nA。基于项目研究结果的启发,拓展研究了系列木质基压电复合材料,丰富了木质材料的压电效应理论,推动其应用于压电传感和能源采集领域。
木材多尺度湿致电效应及其离子梯度扩散增强机制研究
  • 批准号:
    32660381
  • 项目类别:
    地区科学基金项目
  • 资助金额:
    32.00万元
  • 批准年份:
    2026
  • 负责人:
    袁全平
  • 依托单位:
木质纳米纤维素/石墨烯电热膜电热效应的调控及其构效机理
  • 批准号:
    31700496
  • 项目类别:
    青年科学基金项目
  • 资助金额:
    25.0万元
  • 批准年份:
    2017
  • 负责人:
    袁全平
  • 依托单位:
国内基金
海外基金