全文总字数：6548字
1. 研究目的与意义（文献综述）
随着可穿戴电子设备与植入式医疗设备飞速发展，对供电元件提出了长寿命、低/免维护和微型化的要求。压电能量收集装置因其结构简单、清洁环保、无使用寿命限制及易于微型化等诸多优点而得到了极大重视。在所处环境中，人体运动所产生的机械能是一种分布广泛且最为稳定的能量源，压电能量收集装置可以直接有效地收集人体运动产生的机械能并将其转变为电能，为可穿戴电子器件和智能电子设备提供电能。这种可持续供能方式可以减少植入医疗器件对传统化学电池的依赖，或一定程度上延长更换电池手术周期，降低手术风险，有望解决人体可植入医疗器件的供电问题[1]。
可用于能量收集的压电材料有多种，包括压电陶瓷、压电聚合物、多元单晶压电体和压电复合材料。通常，材料的压电性能应尽可能高，才能保证转化效率越高。含铅压电陶瓷pzt和pzn-pt单晶因其高压电常数而被广泛用于机电转换器件中。hwang等[2]人利用pmn-pt单晶制备了柔性压电纳米发电机，其输出电压和电流能够达到8.2v和145μa，最大输出功率达到0.16mw，成功带动了心脏起搏器工作。基于pzt薄膜的压电能量收集器的输出电压和电流则分别达到了200v和1.5μa[2]。然而，由于含有高浓度的有毒铅元素且柔性器件加工难度大，其在可植入生物医学中的应用前景有限。随着近期人们对健康的重视和环保要求的提高。具有生物相容性、易合成、柔性等特点的压电聚合物引起人们的关注。其中，基于pvdf的能量收集器已有大量的研究报道。由于pvdf的压电系数明显低于无机压电材料，因此许多研究致力于进一步提高基于pvdf的能量收集器的电输出性能。例如，yang等[3]将pvdf薄膜附着在不同曲率半径的基底上，以期提高其输出性能。随着曲率半径的增大，能量收集器的输出电压从10v增加到65v。将其嵌入可穿戴织物中，通过肘关节和手指的弯曲，产生0.21mw的输出功率。jung等[4]通过结构优化，制备了多层pvdf柔性能量收集器，可以产生200v的峰值电压和2.7ma的峰值电流，输出功率密度达到17mw/cm2，足以驱动一些商业电子产品。在过去的十年中，pvdf基压电能量收集器的输出电压从最初的毫伏大幅提高到100v以上，输出电流也有了明显的提高，所产生的电能可以充分驱动低功耗的便携式电子产品[5]。此外，许多研究者对pvdf基能量收集器的长期体内生物相容性进行研究。li等[6]的研究表明在植入体内6个月的过程中没有出现细胞毒性的迹象。并且取出后能量收集器压电性能也没有明显退化，表明pvdf在可穿戴和可植入式压电能量收集器中的适用性。
由于pvdf薄膜的绝缘性，必须依靠表面金属化电极将产生的电荷采集并传递到用电器，因此电极是柔性可穿戴和可植入式压电能量收集器不可或缺的组成部分。金、银、铜和铝等导电性良好的金属是常用的电极材料，但它们不同程度地存在价格昂贵、对人体有毒害等问题。一些聚合物电极材料虽然具有柔性、生物相容性等优点。但是，目前聚合物电极的导电性和与pvdf的结合能力距离实际应用水平仍有较大差距[7-8]，仍有待提高。cheong等[9]在压电声学换能器的研究中提出电极的导电性对驱动器的性能有很大影响。与pedot:pss电极相比，石墨烯电极使换能器的频率响应明显提高。宏观石墨烯自支撑膜是一种全石墨烯构成的新型功能柔性膜材料，具有出色的导电性、机械性能且生物相容性良好，可通过压电转换从人体运动中高效地获取机械能，为植入式或可穿戴柔性电子器件提供了一种新型的电极材料。
2. 研究的基本内容与方案
2.1 基本内容
材料制备：使用溶液流延法制备pvdf初始膜，确定最优制备工艺。使用单轴拉伸工艺实现初始膜中α晶型向极性的β晶型转化。利用室温固化无溶剂聚氨酯（pu）胶黏剂粘结pvdf薄膜与石墨烯电极，通过施加适当负荷的方法以获得结合良好，表面平整的复合薄膜。采用高压热极化使pvdf柔性薄膜中β相偶极子取向，从而获得高压电性。
在压电性能良好的石墨烯电极复合薄膜两端引出导线。为有效保护复合薄膜，需在其上下同样利用聚氨酯胶黏剂粘接聚酰亚胺（pi）薄膜封装成能量收集器中的核心压电部件。利用环氧树脂胶将封装后的压电薄膜与pet薄膜粘结。起到支撑及加强pvdf薄膜的有效形变的作用。加固试样两端，增加试样的可靠性。
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4－9周：按照设计方案，制备石墨烯膜电极柔性压电复合材料，优化制备工艺，熟悉制备流程，获得界面结合良好、高压电性的复合薄膜。
第10－12周：利用xrd等测试技术对复合材料结构进行表征。设计以石墨烯膜电极柔性压电复合材料为核心的压电能量收集装置，利用机械平台对其提供持续弯折作用，通过静电计对其电输出性能进行表征。
4. 参考文献（12篇以上）
[1]曾洲, 罗豪甦. 智能可穿戴式压电能量收集器研究现状[j]. 现代物理知识, 2016, 6: 21-39.
[2]faizan ali, waseem raza, xilin li, hajera gul, ki-hyun kim. piezoelectric energy harvesters for biomedical applications [j]. nano energy, 2019, 57: 879-902.
[3]boram yang, kwang-seok yun. piezoelectric shell structures as wearable energy harvesters for effective power generation at low-frequency movement [j]. sensors and actuators a, 2012, 188: 427-433.
课题毕业论文、开题报告、任务书、外文翻译、程序设计、图纸设计等资料可联系客服协助查找。
