柔性无铅压电复合纳米发电机的研究开题报告

全文总字数：4929字

1. 研究目的与意义（文献综述）

近年来，随着世界经济的高速发展，人类社会对于能源供给需求越来越大，煤炭、石油、天然气等非再生的传统能源不仅储量有限，而且在使用过程中造成了环境污染问题，不利于人类社会的可持续发展。为了解决传统能源使用带来的副作用，很多学者对环境友好型替代能源进行了大量的研究，以太阳能、热能、机械能等为代表的循环可再生能源在过去的几十年中逐渐被人们所认知并开发利用，环境中的机械能由于分布广泛、表现形式多样和容易转换等优点，被认为是最理想的替代能源之一。如果能够利用有效的手段将环境中的机械能收集起来转换为电能，可以为人体植入装置、无线传感器和可穿戴电子设备等供电，从而为环境治理、生态保护和可持续发展等方面提供有效帮助。

压电纳米发电机（peng）是一种利用压电效应将机械能转换为电能的器件，可以将环境中各类形式的机械能转换成电能，具有结构简单、体积小和受外界环境影响小的优点。在外界机械作用下，压电材料产生的极化电荷和随时间变化的电场可驱动电子在外电路发生流动，进而产生电能。最早的压电纳米发电机是2006年由王中林课题组提出的基于单根zno纳米线的压电纳米发电机，在这之后压电纳米发电机不断发展出不同的设计模式。由于柔性电子器件在可植入、可穿戴电子器件等方面得到了广泛应用，使得柔性成为纳米发电机的设计趋势之一，具备柔性的纳米发电机也能对环境中较为复杂的机械作用产生如弯曲、拉伸等产生良好的响应并产生电能，且适应不同形状的表面以满足可植入、可穿戴等要求。因此，开发出具备很好的柔性和稳定性的压电纳米发电机至关重要。压电复合材料是制备柔性压电纳米发电机的良好选择，基于压电复合材料的柔性压电纳米发电机具有制备工艺简单、柔韧性好、成本低廉等优势，可实现大规模生产。

压电复合材料制备技术是将压电材料按一定方式填充到柔性基底材料中得到集填料和基体两者优点于一身的柔性压电复合材料。压电材料一般分为压电单晶、压电陶瓷、压电聚合物，如zno、锆钛酸铅（pzt）、钛酸铌镁铅（pmnt）以及钛酸钡（batio₃）等压电材料已经被广泛研究用于压电纳米发电机的制作。由于有着极其出色的压电系数，且制备工艺简单、成本低廉，以pzt为代表的含铅压电陶瓷材料被广泛使用，但其主要成分是有毒的pbo，pbo在高温烧结过程中易挥发，会损害人体和污染环境，日本和欧盟已经出台政策限制含铅陶瓷的生产和使用。故而不难看出，为了人类健康和环境保护，势必要大力发展无铅压电材料。在已开发的无铅压电材料中，铌酸钾钠k_0.5na_0.5nbo₃（knn）基材料得到了广泛的关注，因其具有很高的居里温度（tc=420℃）、良好的压电系数（d₃₃=160 pc/n）以及生物相容性。但是，其性能与主流的pzt陶瓷差距依然较大，为了提高knn基无铅压电陶瓷的性能，学者们研究出了一些方法如通过a、b位的元素取代、组分调节、组元掺杂及改进制备工艺等。yi ping guo等人研究通过采用固相烧结法，制备li_x(na_0.5k_0.5)]_1-xnbo₃（x=0.05-0.07）无铅压电陶瓷（knln），其压电常数d₃₃达到200-235pc/n，表现出高的压电特性，并具有很好的烧结特性。

2. 研究的基本内容与方案

2.1 基本内容

2.1.1 li掺杂铌酸钾钠粉体和压电复合薄膜的制备

li掺杂铌酸钾钠粉体的制备：knln粉体采用固相法合成，原料选用k₂co₃、na₂co₃、li₂co₃和nb₂o₅。按照化学计量比进行配料，称取适量的原料，与乙醇混合后放入行星球磨机进行球磨24 h，球磨之后将原料放入马弗炉中预烧，升温速率5 ℃/min，在850 ℃下充分反应，并且保温10 h，待自然冷却，得到knln粉体。再将所得粉体和适量乙醇放入行星球磨机进行二次球磨 24 h后，烘干，所得既是目标产物。

3. 研究计划与安排

第1－3周：查阅相关文献资料，完成英文翻译。明确研究内容，了解研究所需原料、仪器和设备。确定技术方案，并完成开题报告；

第4－7周：按照所设计的实验方案，制备li掺杂铌酸钾钠粉体及其压电复合材料样品；

第8－12周：对制得的样品进行结构表征以及性能测试，收集整理实验数据；

4. 参考文献（12篇以上）

[1] hans a, lee j, lin j, et al. piezo/triboelectric nanogenerators based on2-dimensional layered structure materials[j]. nano energy, 2019,57: 680-691.

[2] 张光杰, 丁一. 柔性压电纳米发电机研究进展[j]. 新材料产业,2017(07): 58-63.

[3] 张光杰. 压电纳米发电机的功能化应用[j]. 新材料产业, 2016(05): 15-19.