高灵敏度的纳米线网声波传感器

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高灵敏度的纳米线网声波传感器

来源: | 作者:tjyunfan | 发布时间: 2019-12-25 | 21818 次浏览 | 分享到:

声音（声波）的检测已应用于许多领域，包括环境保护，工业制造，医疗保健，医疗，科学研究和国防。许多声学传感器已经开发基于各种传感原理，例如压电电阻被，压电电容，压电光学器件和压电。特别是对于那些由压电聚合物的压电声学传感器是与其他不同的，因为它们具有更高的灵敏度和灵活性，可以加工成不同的几何形状（例如，平坦的或不平坦的膜）。然而，在制造换能器之前，大多数压电聚合物需要通过乏味的多步骤方法来处理，包括机械拉伸和在高温下进行高压极化以获得压电性，这也是能耗和高成本的。
通过静电纺丝发制备的制备压电纳米纤维已经被报道。澳大利亚迪肯大学前沿材料研究院的研究人员的研究表明，由压电聚合物（如聚偏二氟乙烯（PVDF），聚偏二氟乙烯- 共六氟丙烯（PVDF-HFP）和聚偏二氟乙烯- 共三氟乙烯）电纺而成的纳米纤维）（P（VDF-TrFE）的重复），有无拉伸和极化处理强压电。这些压电纳米纤维已经用于制造机械传感器和能量发生器示出很大的潜力。在压缩或弯曲下，随机取向的PVDF纳米纤维网的电压输出甚至比商用压电PVDF膜的电压输出还要高。然而，迄今为止，在研究文献中几乎没有关于聚合物纳米纤维的声-电能转换的报道。
在这里，澳大利亚迪肯大学前沿材料研究院的研究人员证明了通过静电纺丝制备的压电纳米纤维具有不可思议的声电转换能力。使用PVDF作为模型聚合物和允许声音直接传递到纳米纤维层的器件结构，证明了纳米纤维传感器器件能够以266 mV Pa -1的灵敏度检测低频声音。与商用压电PVDF致密膜制成的传感器设备相比，这个纳米纤维设备的灵敏度高出五倍以上。它们可以精确地区分中低频区域的声波。该设备对高于100 dB的压力水平的声音显示出更高的灵敏度，非常适合检测噪声。
方法

通过将2 g PVDF颗粒（M 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）（体积比为（二甲基甲酰胺和丙酮，4/6），并在70°C加热2小时。为了检查纤维直径对能量转换的影响，从浓度为16％到28％的PVDF溶液中制备了不同直径的PVDF纳米纤维。将均质的PVDF溶液放入带有金属针头（21号）的塑料注射器中。使用注射泵将流速控制在1 ml/h ，然后使用高压电源向注射器针头施加15 kV高压。放置在离针尖15厘米处的接地旋转鼓收集器（100 rpm）用于收集PVDF纳米纤维。