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    高靈敏度的納米線網聲波傳感器
    來源: | 作者:tjyunfan | 發布時間: 2019-12-25 | 8639 次瀏覽 | 分享到:
    科學家發現一種可以將機械能轉化為電能的靜電壓電納米纖維網。這種納米纖維網有很強的聲電轉換能力,尤其是在靜電紡絲過程中,能將所產生的機械能轉化為電能。這種纖維網可以精確地辨別中低頻率范圍內的聲波。在實際的生產中,電紡納米纖維可用于開發高性能的聲波傳感器。
            聲音(聲波)的檢測已應用于許多領域,包括環境保護,工業制造,醫療保健,醫療,科學研究和國防。許多聲學傳感器已經開發基于各種傳感原理,例如壓電電阻被,壓電電容,壓電光學器件和壓電。特別是對于那些由壓電聚合物的壓電聲學傳感器是與其他不同的,因為它們具有更高的靈敏度和靈活性,可以加工成不同的幾何形狀(例如,平坦的或不平坦的膜)。然而,在制造換能器之前,大多數壓電聚合物需要通過乏味的多步驟方法來處理,包括機械拉伸和在高溫下進行高壓極化以獲得壓電性,這也是能耗和高成本的。
           通過靜電紡絲發制備的制備壓電納米纖維已經被報道。澳大利亞迪肯大學前沿材料研究院的研究人員的研究表明,由壓電聚合物(如聚偏二氟乙烯(PVDF),聚偏二氟乙烯- 六氟丙烯(PVDF-HFP)和聚偏二氟乙烯- 三氟乙烯)電紡而成的納米纖維)(P(VDF-TrFE)的重復),有無拉伸和極化處理強壓電。這些壓電納米纖維已經用于制造機械傳感器和能量發生器示出很大的潛力 。在壓縮或彎曲下,隨機取向的PVDF納米纖維網的電壓輸出甚至比商用壓電PVDF膜的電壓輸出還要高。然而,迄今為止,在研究文獻中幾乎沒有關于聚合物納米纖維的聲-電能轉換的報道。
           在這里,澳大利亞迪肯大學前沿材料研究院的研究人員證明了通過靜電紡絲制備的壓電納米纖維具有不可思議的聲電轉換能力。使用PVDF作為模型聚合物和允許聲音直接傳遞到納米纖維層的器件結構,證明了納米纖維傳感器器件能夠以266 mV Pa -1的靈敏度檢測低頻聲音。與商用壓電PVDF致密膜制成的傳感器設備相比,這個納米纖維設備的靈敏度高出五倍以上。它們可以精確地區分中低頻區域的聲波。該設備對高于100 dB的壓力水平的聲音顯示出更高的靈敏度,非常適合檢測噪聲。
            方法

            通過將2 g PVDF顆粒(W 275,000 g mol -1,Sigma-Aldrich)溶解在10 ml的二甲基甲酰胺(Sigma-Aldrich)和丙酮(Sigma-Aldrich)(體積比為(二甲基甲酰胺和丙酮,4/6),并在70°C加熱2小時。為了檢查纖維直徑對能量轉換的影響,從濃度為16%到28%的PVDF溶液中制備了不同直徑的PVDF納米纖維。將均質的PVDF溶液放入帶有金屬針頭(21號)的塑料注射器中。使用注射泵將流速控制在1 ml/h ,然后使用高壓電源向注射器針頭施加15 kV高壓。放置在離針尖15厘米處的接地旋轉鼓收集器(100 rpm)用于收集PVDF納米纖維。

          傳感器制造

         一塊靜電紡PVDF納米纖維網被兩個鍍金塑料薄膜夾持。在每個塑料膜的中間切出一個孔(直徑= 12.8mm)。
    文章截取自《Nature》
    High-sensitivity acoustic sensors from nanofibre webs


           

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