Sintesi di un film nanofibra composito polimerico ceramico a base di ossido di grafene ridotto drogato con azoto per applicazioni su dispositivi indossabili

Rapporti scientifici volume 12, numero articolo: 15583 (2022) Citare questo articolo

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In questo studio, film compositi piezoelettrici di nanofibre sono stati fabbricati introducendo ossido di grafene ridotto drogato con azoto come materiale conduttivo in un polimero P (VDF-TrFE) e un composito ceramico BiScO3 – PbTiO3 utilizzando un processo di elettrofilatura. L'azoto è stato drogato/sostituito in rGO per rimuovere o compensare i difetti formatisi durante il processo di riduzione. Il processo di elettrofilatura è stato impiegato per estrarre pellicole di nanofibre composite piezoelettriche in condizioni di autopolarizzazione. Gli elettrodi interdigitali sono stati utilizzati per realizzare raccoglitori di energia di tipo pianificatore per raccogliere l'energia elettromeccanica applicata al raccoglitore di energia flessibile. Dal composito piezoelettrico con elettrodo interdigitale, la permettività dielettrica effettiva estratta dal metodo di mappatura conforme. Introducendo ceramiche BS-PT e conduttori N-rGO nei film di nanofibre composite piezoelettriche P (VDF-TrFE), la permettività dielettrica effettiva è stata migliorata da 8,2 a 15,5. Questa costante dielettrica effettiva migliorata probabilmente deriva dalla maggiore densità del flusso elettrico dovuta alla maggiore conduttività. L'elettrodo interdigitale fabbricato utilizzando questa sottile pellicola composita in nanofibra è stato progettato e testato per applicazioni su dispositivi indossabili. Una forza meccanica esterna di 350 N è stata applicata all'energy Harvester composito basato su nanofibre con elettrodi interdigitali a una velocità di 0,6 Hz, la tensione e la corrente di picco erano rispettivamente di 13 V e 1,25 μA. Ottimizzando la fabbricazione del dispositivo, la tensione a circuito aperto, la tensione immagazzinata e la potenza di uscita generata ottenute erano rispettivamente 12,4 V, 3,78 V e 6,3 μW.

I materiali compositi piezoelettrici basati su polimeri e ceramiche hanno attirato notevole attenzione a causa delle loro proprietà elettriche e meccaniche superiori, come flessibilità, piezoelettricità e robustezza1,2,3. In generale, i polimeri piezoelettrici si basano principalmente su materiali PVDF e P(VDF-TrFE)4,5. Le loro proprietà elettriche possono essere migliorate aggiungendo ceramiche piezoelettriche per realizzare strutture composite piezoelettriche. Sebbene siano stati realizzati compositi piezoelettrici, esistono limitazioni nel miglioramento delle loro proprietà piezoelettriche a causa del loro comportamento resistivo. Per superare queste limitazioni, è possibile aggiungere materiali conduttivi ai compositi piezoelettrici per migliorarne le proprietà elettriche. L'rGO bidimensionale (2D) è ampiamente utilizzato come materiale conduttore che può essere facilmente miscelato con altri componenti per migliorare le proprietà elettriche e meccaniche6,7,8. Pertanto, l'introduzione di rGO nei polimeri piezoelettrici tra cui PVDF e P (VDF-TrFE) può portare a proprietà piezoelettriche migliorate9,10. Tuttavia, durante il processo di riduzione di rGO vengono indotti molti difetti, che possono ostacolare le sue proprietà di trasporto degli elettroni. Questi difetti possono essere molto dannosi per le applicazioni piezoelettriche perché interrompono il campo elettrico11,12. rGO è stato ampiamente studiato per applicazioni di dispositivi funzionali bidimensionali grazie alla sua elevata conduttività elettrica e flessibilità13,14. Tuttavia, i difetti derivanti dal processo di riduzione diminuiscono le proprietà elettriche di rGO. Per superare le proprietà conduttive ridotte, N è stato drogato/sostituito in rGO bidimensionale. Il drogaggio/sostituzione di N può superare i difetti di rGO, determinando una maggiore conduttività elettrica6.

I film di nanofibre piezoelettriche basati su ingredienti polimerici e ceramici presentano numerosi vantaggi rispetto ad altre strutture composite, come flessibilità e piezoelettricità13,15. Una pellicola in nanofibra ha una flessibilità superiore grazie al suo elevato rapporto d'aspetto rispetto ad altri materiali compositi e ceramici. È stato progettato e adottato un processo di elettrofilatura per fabbricare strutture affidabili di nanofibre e nanofibre composite. L’elettrofilatura è una tecnica che produce nanofibre di polimeri, ceramiche e metalli applicando un campo elettrico. Questo processo può formare nanofibre da molecole complesse e può operare a basse temperature16,17.

εs. Otherwise, the electric field cannot be confined within the composite nanofiber layer. As shown in Fig. 5a, W is the finger width, G is the space between fingers, λ is the spatial wavelength of the interdigital capacitor (IDC), t is the thickness of the metal electrode pattern, and hn is the height of the nanofiber film and substrate. We obtained analytical models of the IDC following the work of Gevorgian20,21. Modified Igreja's equations for capacitances of inner (CI) and outer (CE) electrodes were determined, as shown in Fig. 5b, where it was assumed that the substrate thickness was non-infinite and the air layer below the substrate was infinitely thick. Equations of the IDC can then be expressed as follows21:/p>