西南交大杨维清&吕军Nano Energy：一种基于免极化、新型高结晶β-PVDF压电纳米发电机的自驱动加速度传感器

【引语】

压电加速度传感器在大型机械结构测试、国防、交通运输、汽车工业、生物医疗器械等领域发挥着至关重要的作用。通常，商用压电加速度传感器由性能优异的压电陶瓷制成，如锆钛酸铅（PZT）。然而，由于固有的脆性，压电陶瓷加速度传感器的应用受到剧烈冲击，高剪切力和其他极端服役环境的很大限制。更重要的是，PZT的极化是一种高耗能过程，但却必不可少。而聚偏氟乙烯（PVDF），作为一种代表性的压电聚合物，由于其优异的抗冲击性和韧性是另一个不错的选择。然而，其压电性能不够强，导致传感器的灵敏度较低。在此，将免极化、压电增强型PVDF应用于高灵敏度加速度传感器来满足高冲击的苛刻要求是令人期待的。

【成果简介】

近日，西南交通大学杨维清课题组与吕军教授课题组（共同通讯作者）共同研制了一种基于免极化、新型高结晶β-PVDF（hβ-PVDF）压电纳米发电机（PENG）的自驱动加速度传感器。这种高压熔体结晶制备的hβ-PVDF的β相的结晶度高达86.48％。此外，在制备过程中形成了纳米片的结构，表现出压电增强性（短路电流密度可达145 nA·cm^-2）。在5m / s²到30m / s²的外部加速度下，制备的传感器输出电流和加速度之间呈现出线性关系，并且具有高达2.405nA·s²·m^-1的高灵敏度。在4 Hz的频率下，10000次循环后PENG的短路电流仍然保持97％，显示出良好的稳定性。自驱动的3D加速度传感器集成了三个PENG，可用于任何方向的矢量加速度测量。此外，还开发了用于车辆监控系统实时3D频率和加速度传感器系统，以避免车辆事故时的人员伤亡。这为解决汽车安全监控和汽车安全系统中存在的问题提供了经验参考。长远来看，hβ-PVDF和高灵敏度器件的简单工艺为许多领域的商业化生产提供了潜力，如运输，自供电设备，能量收集等。相关工作以题为“Polarization-Free High-Crystallization β-PVDF Piezoelectric Nanogenerator Toward Self-Powered 3D Acceleration Sensor”发表在Nano Energy上。

【图文导读】

图一 器件结构与材料制备过程

（a）封装完成的器件结构图

（b）封装完成的器件照片

（c）一维器件结构图

（d）hβ-PVDF制备过程

（e）hβ-PVDF的纳米片结构SEM图

图二 不同制备方法的材料晶体表征

（a）不同制备方法的DSC结果分析

（b）不同制备方法的WAXD结果分析

（c）不同制备方法的ATR-FTIR结果分析

（d）原料与不同制备方法的材料照片

图三 工作原理与相关电学性能测试

（a）加速度传感器工作原理

（b）3Hz频率下的短路电流图

（c）不同外加频率与测试频率关系图

（d）5 m/s²to 30 m/s²不同加速度下的加速度-电流关系

（e）5 m/s²to 30 m/s²不同加速度下的加速度-电压关系

（f）10 m/s²条件下循环10000周的稳定性测试

图四 三维矢量加速度测试研究

（a，b）在坐标轴上，外加矢量加速度与测得加速度关系

（c，d）在一个坐标平面内，外加矢量加速度与测得加速度关系

（e，f）在三维空间中，外加矢量加速度与测得加速度关系

图五 3D加速度传感器在动态车辆检测系统中的应用

（a）3D动态频率、加速度测量系统界面

（b）传感器置于卡车模型上的监测数据

（c）卡车模型撞在棉花上的示意图

（d）卡车模型撞在硬质板上的示意图

（e）系统算法流程图

文献链接：https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285518303835

本文由杨维清课题组供稿。

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