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嘉峪檢測網(wǎng) 2018-06-12 14:03
壓電加速度傳感器在大型機械結(jié)構(gòu)測試、國防、交通運輸、汽車工業(yè)、生物醫(yī)療器械等領(lǐng)域發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。通常，商用壓電加速度傳感器由性能優(yōu)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(yīng)用受到劇烈沖擊，高剪切力和其他極端服役環(huán)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(yōu)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(dǎo)致傳感器的靈敏度較低。在此，將免極化、壓電增強型PVDF應(yīng)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。
近日，西南交通大學(xué)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(jié)晶β-PVDF（hβ-PVDF）壓電納米發(fā)電機（PENG）的自驅(qū)動加速度傳感器。這種高壓熔體結(jié)晶制備的hβ-PVDF的β相的結(jié)晶度高達86.48％。此外，在制備過程中形成了納米片的結(jié)構(gòu)，表現(xiàn)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(xiàn)出線性關(guān)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(huán)后PENG的短路電流仍然保持97％，顯示出良好的穩(wěn)定性。自驅(qū)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(fā)了用于車輛監(jiān)控系統(tǒng)實時3D頻率和加速度傳感器系統(tǒng)，以避免車輛事故時的人員傷亡。這為解決汽車安全監(jiān)控和汽車安全系統(tǒng)中存在的問題提供了經(jīng)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(lǐng)域的商業(yè)化生產(chǎn)提供了潛力，如運輸，自供電設(shè)備，能量收集等。相關(guān)工作以題為“Polarization-Free High-Crystallization β-PVDF Piezoelectric Nanogenerator Toward Self-Powered 3D Acceleration Sensor”發(fā)表在Nano Energy上。
圖一 器件結(jié)構(gòu)與材料制備過程
（a）封裝完成的器件結(jié)構(gòu)圖
（b）封裝完成的器件照片
（c）一維器件結(jié)構(gòu)圖
（d）hβ-PVDF制備過程
（e）hβ-PVDF的納米片結(jié)構(gòu)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(jié)果分析
（b）不同制備方法的WAXD結(jié)果分析
（c）不同制備方法的ATR-FTIR結(jié)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(guān)電學(xué)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(guān)系圖
（d）5 m/s2 to 30 m/s2不同加速度下的加速度-電流關(guān)系
（e）5 m/s2 to 30 m/s2不同加速度下的加速度-電壓關(guān)系
（f）10 m/s2條件下循環(huán)10000周的穩(wěn)定性測試
圖四 三維矢量加速度測試研究
（a，b）在坐標(biāo)軸上，外加矢量加速度與測得加速度關(guān)系
（c，d）在一個坐標(biāo)平面內(nèi)，外加矢量加速度與測得加速度關(guān)系
（e，f）在三維空間中，外加矢量加速度與測得加速度關(guān)系
圖五 3D加速度傳感器在動態(tài)車輛檢測系統(tǒng)中
