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聚合物模板合成柔性钛酸钡纳米纤维
2020/1/8 13:08:02 admin

DOI: 10.1002/adfm.201907919

BaTiO3晶体由于其高介电性能而成为有吸引力的材料,但它们是脆性和无弹性的陶瓷,这限制了其在新兴领域(如柔性电子产品)中的广泛应用。据报道,通过溶胶-凝胶静电纺丝法,然后进行简单的煅烧,可以制备出超柔性晶体BaTiO3纳米纤维(NF)薄膜。通过在聚合物纳米纤维模板中生长钙钛矿型BaTiO3晶体,该晶体在低温下具有复杂的晶界,从而促进了它们的形成。陶瓷膜具有50 mN的类似聚合物的柔软度,61 MPa的大杨氏模量和0.9%的弹性应变。此外,它们具有28 mg cm-3的低密度,变形后表现出良好的柔软性,无断裂。基于这些薄膜制备的压电传感器在100 kPa的压力下具有1.05 V的输出电压,灵敏度高达80 ms。该方法允许大规模制造柔性BaTiO3晶体纳米纤维薄膜。

 

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图1.柔性BTO晶体纳米纤维膜的制备及其在传感器中的潜在应用。使用a)溶胶-凝胶静电纺丝随后b)煅烧以制备柔性BTO纳米纤维膜的制备过程示意图。c)大型BTO薄膜及其柔性的展示。d)制备的压电传感器的示意图和光学图。


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图2.材料表征。BTO纳米纤维薄膜在a)低倍和b)高倍下的横截面SEM图像。c)BTO纳米纤维膜的表面形态。d)单个BTO纳米纤维的TEM图像。e)BTO纳米纤维中Ba、Ti和O的EDS图。f,g)BTO纳米纤维的HRTEM图像,显示d间距晶格和相邻纳米颗粒之间的共同晶界。h)拉伸应力-应变曲线,以及i)BTO纳米纤维膜的弯曲刚度。


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图3.柔性BTO纳米纤维膜形成的机理分析。a)TBT、乙酸及其混合溶液的FTIR光谱。b)透明溶胶、半透明溶胶和不透明凝胶的FTIR光谱。c)BTO形成过程的TGA和导数TG曲线。d)在不同温度下烧结的BTO纳米纤维的FTIR和e)XRD光谱。f)采用静电纺丝和溶胶-凝胶煅烧两种不同方法合成的BTO晶粒尺寸的比较。g-j)在不同温度下煅烧的表面形态和相应的BTO膜。


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图4.柔性BTO薄膜的压电特性。a)传感器的原理结构及其压电机理。b)由全压释放过程产生的典型脉冲信号。c)在固定负载频率下,在20至100 kPa压力下,传感器的开路电压和d)短路电流。e)输出电压和电流的压力依赖性。f)传感器的灵敏度测试。g)从正向和反向连接测得的电压信号。h)传感器的长循环机械耐久性。

 


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