Porous, multi-layered piezoelectric composites based on highly oriented PZT/PVDF electrospinning fibers for high-performance piezoelectric nanogenerators

材料科学 复合材料 压电 多孔性 复合数 静电纺丝 锆钛酸铅 模数 纤维 纳米纤维 铁电性 聚合物 电介质 光电子学
作者
Xiangxin Du,Zheng Zhou,Zhao Zhang,Liqin Yao,Qilong Zhang,Hui Ying Yang
出处
期刊:Journal of Advanced Ceramics [Springer Science+Business Media]
卷期号:11 (2): 331-344 被引量:125
标识
DOI:10.1007/s40145-021-0537-3
摘要

Abstract Piezoelectric nanogenerators (PENGs) that can harvest mechanical energy from ambient environment have broad prospects for multi-functional applications. Here, multi-layered piezoelectric composites with a porous structure based on highly oriented Pb(Zr 0.52 Ti 0.48 )O 3 /PVDF (PZT/PVDF) electrospinning fibers are prepared via a laminating method to construct high-performance PENGs. PZT particles as piezoelectric reinforcing phases are embedded in PVDF fibers and facilitate the formation of polar β phase in PVDF. The multi-layered, porous structure effectively promotes the overall polarization and surface bound charge density, resulting in a highly efficient electromechanical conversion. The PENG based on 10 wt% PZT/PVDF composite fibers with a 220 µm film thickness outputs an optimal voltage of 62.0 V and a power of 136.9 µW, which are 3.4 and 6.5 times those of 10 wt% PZT/PVDF casting film-based PENG, respectively. Importantly, the PENG shows a high sensitivity of 12.4 V·N −1 , presenting a significant advantage in comparison to PENGs with other porous structures. In addition, the composites show excellent flexibility with a Young’s modulus of 227.2 MPa and an elongation of 262.3%. This study shows a great potential application of piezoelectric fiber composites in flexible energy harvesting devices.
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