BTO NWs/PVDF柔性復(fù)合薄膜的制備及其壓電性能研究

郭 凡,李銀輝,馬俊格,梁建國,李朋偉

(太原理工大學(xué) 納米能源與器件研究中心,山西 太原 030024)

0 引言

可植入式和智能便攜式可穿戴電子器件的快速發(fā)展迫切需要高效且可持續(xù)的電源為其供能[1-2]。壓電納米發(fā)電機(PENGs)已成為一種新型且持久的電源,它能收集環(huán)境中大量不規(guī)則的機械振動信號(如手肘彎曲、心臟跳動和呼吸等人體動作)并將其轉(zhuǎn)換為電信號輸出[3]?；跓o機/有機復(fù)合材料制備的PENGs具有出色的柔性和相對較高的輸出特性,已被廣泛應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、可植入式生物醫(yī)學(xué)設(shè)備和自供電傳感器[4]。

有機壓電材料大多具有高柔韌性、低密度及低阻抗等特點。其中,聚偏二氟乙烯(PVDF)[5]具有較強的溫、濕度穩(wěn)定性和機械強度,同時兼具柔性,被廣泛應(yīng)用于便攜式可穿戴設(shè)備和生物傳感等領(lǐng)域。一般有機壓電材料的壓電系數(shù)較小,而基于純相有機壓電材料的PENGs輸出性能偏低。常見的無機壓電材料(如鋯鈦酸鉛(PZT)、鋯鈦酸鉛鑭(PLZT)、鈮鎂酸鉛(PMN-PT)等)雖具有高的介電常數(shù)和優(yōu)異的壓電性能[6],但其中的鉛會給人體健康和環(huán)境帶來毒副作用,故其在可穿戴設(shè)備和生物醫(yī)學(xué)領(lǐng)域中的應(yīng)用受限。基于此,研發(fā)了無鉛壓電材料,如鈮酸鉀鈉(KNN)、鈦酸鋇(BTO)、鈦酸鉍鉀鈉(BNT)等。Kang等[7]將KNN納米顆粒分散于聚三氟乙烯聚合物(P(VDF-TrFE))中,制備了一種具有高度柔性的復(fù)合納米纖維材料,當(dāng)KNN體積分?jǐn)?shù)為10%時,復(fù)合薄膜輸出電壓為0.9 V,是未添加KNN時的2.17倍。其中,四方鈣鈦礦BTO因具有無鉛、合成簡單、易加工和低成本而成為一種有應(yīng)用前景的壓電材料[8]。將無鉛BTO分散到有機基底中,形成兼具柔性和高壓電性的壓電復(fù)合薄膜成為研究熱點。Dudem 等[9]通過將 BTO 納米顆粒摻雜到 PVDF 基質(zhì)中制備壓電復(fù)合薄膜,并采用銀納米線作為助分散劑和導(dǎo)電材料來提高壓電復(fù)合薄膜的性能,其輸出電壓為 14 V,輸出電流為0.96 μA,復(fù)合薄膜展現(xiàn)出良好的柔性。無鉛BTO壓電納米顆粒易團聚,與含鉛無機壓電材料(如PZT)相比,無鉛BTO壓電材料的壓電常數(shù)較小,應(yīng)用受限。與零維(0D)的BTO NPs相比,一維(1D)線性結(jié)構(gòu)的BTO NWs具有更大的偶極矩及更高的壓電常數(shù),表現(xiàn)出良好的分散性和更優(yōu)異的壓電響應(yīng)[10-12]。

本文通過兩步水熱法成功合成了BTO NWs。以BTO NWs為壓電相,PVDF為柔性基底,采用旋涂技術(shù)制備出BTO NWs/PVDF柔性復(fù)合壓電薄膜。探究了不同實驗條件下合成的BTO NWs對PENGs輸出性能的影響,并對比了相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)下BTO NWs和BTO NPs的壓電輸出。經(jīng)過4 000次循環(huán)測試后,PENGs仍表現(xiàn)出良好的穩(wěn)定性,在可穿戴電子器件、生物傳感等領(lǐng)域應(yīng)用前景廣闊。

1 實驗部分

1.1 材料

氫氧化鈉(NaOH,純度>99.0%),鈦酸四丁酯(Ti(OC4H9)4,純度>98.0%),無水乙醇(C2H6O,純度>95.0%),氫氧化鋇(Ba(OH)2·8H2O,純度>99.0%),聚偏二氟乙烯(PVDF,分子量:4.0×105,純度>99.5%),N,N-二甲基甲酰胺(DMF,純度>99.0%),均購于國藥集團化學(xué)試劑有限公司。

1.2 BTO NWs的制備

1.2.1 鈦酸鈉納米線(NTO NWs)前驅(qū)體的制備

配置一定濃度的NaOH溶液20 mL,取1.36 g鈦酸四丁酯溶于20 mL無水乙醇中,超聲分散30 min,得到濃度為0.2 mol/L的鈦酸四丁酯乙醇溶液。在攪拌狀態(tài)下,將配置好的鈦酸四丁酯溶液逐滴加入NaOH溶液中,攪拌1 h后迅速將混合物轉(zhuǎn)入高壓反應(yīng)釜內(nèi),并放入干燥箱中;在200 ℃下反應(yīng)一定時間,待反應(yīng)結(jié)束后冷卻至室溫,用去離子水和無水乙醇反復(fù)清洗產(chǎn)物至pH≈7;將清洗后的產(chǎn)物放入烘箱,在60 ℃下干燥12 h,得到前驅(qū)體NTO NWs。

1.2.2 BTO NWs的制備

配置濃度為0.1 mol/L的Ba(OH)2·8H2O水溶液20 mL,并取0.2 g的NTO NWs 加入Ba(OH)2·8H2O水溶液中;將溶液轉(zhuǎn)移至高壓反應(yīng)釜,95 ℃下反應(yīng)20 h;待反應(yīng)結(jié)束并冷卻至室溫后,用去離子水和乙醇交替清洗至產(chǎn)物pH≈7;將清洗后的產(chǎn)物放入烘箱,60 ℃下干燥12 h,得到最終產(chǎn)物BTO NWs。

1.3 BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜的制備

首先稱取一定質(zhì)量的BTO NWs溶于N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中,超聲處理30 min;然后稱取一定質(zhì)量的PVDF粉末在攪拌狀態(tài)下加入DMF溶液中,室溫下攪拌12 h,形成均勻的復(fù)合旋涂液;再將旋涂液和玻璃基底(2.5 cm×2.5 cm)放在勻膠機上,以轉(zhuǎn)速500 r/min旋轉(zhuǎn)50 s,形成BTO NWs/PVDF復(fù)合濕膜;將復(fù)合濕膜放置在電熱板上,100 ℃下固化10 min后剝離,得到的復(fù)合薄膜厚度約為50 μm。采用油浴極化法對復(fù)合薄膜進行極化處理,油浴溫度為60 ℃,極化電場為6 kV/mm,極化12 h。極化完成后,將銅電極(Cu,厚度約為50 μm)貼在復(fù)合薄膜的上下表面,并使用聚對苯二甲酸乙二醇酯樹脂(PET,厚度約為75 μm)對薄膜進行封裝,最終得到PENGs。圖1為BTO NWs/PVDF壓電納米發(fā)電機的封裝示意圖。

圖1 BTO NWs/PVDF壓電納米發(fā)電機的封裝示意圖

1.4 表征與測試

使用掃描電子顯微鏡(SEM,SU-3500,HITACHI)對納米線的形貌結(jié)構(gòu)進行表征。使用X線衍射儀(XRD,D8-ADVANCE,BRUKER)測量納米線的晶型結(jié)構(gòu)。測試靶材為Cu靶,輻射波長λ為0.154 18 nm,掃描范圍為10°～80°,掃描速度為10 (°)/min。采用自組裝的壓電測試系統(tǒng)[13]對封裝好的壓電納米發(fā)電機進行壓電性能輸出測試。使用信號發(fā)生器(Agilent-33522A)產(chǎn)生10 Hz的正弦波信號,通過功率放大器(PA-1200)將其輸入到激振器(ESS-025)中產(chǎn)生周期性震動,對PENGs進行敲擊以產(chǎn)生形變。通過示波器(DPO-3012)和數(shù)字源表(KEITHLEY-2400)分別記錄敲擊過程中產(chǎn)生的電壓輸出和電流輸出信號。

2 結(jié)果與討論

2.1 納米線形貌結(jié)構(gòu)分析

圖2為在NaOH濃度10 mol/L、水熱反應(yīng)10 h下制備的前驅(qū)體NTO NWs及產(chǎn)物BTO NWs的SEM圖像。由圖2(a)可見,前驅(qū)體NTO NWs呈明顯的線狀結(jié)構(gòu),且均勻一致,直徑在?150 nm內(nèi),平均直徑約為?100 nm,長度可達40 μm。由圖2(b)可以看出,經(jīng)過兩步水熱反應(yīng)后形成的BTO NWs在外觀上呈表面粗糙、長度較短的線狀結(jié)構(gòu),直徑為?(150～300) nm。這是由于在Ba2+與Na+置換過程中,離子半徑尺寸差別大而使晶格發(fā)生改變,導(dǎo)致納米線斷裂并產(chǎn)生表面顆粒感。

對制備的NTO NWs和BTO NWs進行XRD表征,結(jié)果如圖3所示。由圖可見,NTO NWs中,10.5°、25°、29.8°、34°、36°、38.8°、48.4°、52.7°對應(yīng)的衍射峰位與NTO(JCPDS,31-1329)的(100)、(110)、(003)、(211)、(301)、(013)、(104)、(020)晶面完全對應(yīng),與文獻[14-15]一致,這說明本文制備的前驅(qū)體為純相NTO。與BTO標(biāo)準(zhǔn)卡片(JCPDS,05-0626)對比,BTO NWs中22°、31.5°、38.8°、45.1°、50.8°、56°、65.7°處出現(xiàn)的特征峰分別對應(yīng)BTO的(100)、(110)、(111)、(200)、(210)、(211)、(220)晶面,且無NTO雜峰出現(xiàn)。結(jié)果表明,產(chǎn)物為典型的鈣鈦礦型四方晶體結(jié)構(gòu)BTO,說明兩次水熱反應(yīng)過程中NTO已完全轉(zhuǎn)換為BTO。

圖3 前驅(qū)體NTO NWs和產(chǎn)物BTO NWs的XRD圖譜

2.2 復(fù)合薄膜電學(xué)性能分析

在兩步水熱法制備過程中使用具有高長徑比的NTO NWs合成的產(chǎn)物具有更高的壓電性能[16],而在合成前驅(qū)體的過程中,反應(yīng)溶液不同的堿性環(huán)境會直接影響到BTO NWs的相結(jié)構(gòu)和形貌特征。為了確定合成BTO NWs的最佳堿性環(huán)境,分別對不同NaOH濃度下合成的BTO NWs進行成膜處理,并進行NTO NWs的形貌結(jié)構(gòu)表征及復(fù)合薄膜的電學(xué)性能測試。圖4為反應(yīng)10 h,不同NaOH溶液濃度條件下制備的NTO的XRD衍射圖。由圖可見,當(dāng)NaOH濃度為7 mol/L時,XRD衍射圖譜與NTO衍射圖譜部分重合,說明NaOH濃度過低時生成的產(chǎn)物非純相NTO。衍射圖譜的特征峰隨著NaOH濃度的增大而逐漸與NTO衍射圖譜重合,且在NaOH濃度為10 mol/L時峰值達到最高。當(dāng)NaOH溶液濃度大于10 mol/L,XRD圖譜中NTO的特征衍射峰基本消失。

圖4 不同NaOH濃度下合成前驅(qū)體NTO的XRD圖譜

圖5為不同NaOH濃度下合成前驅(qū)體的SEM圖像。由圖可見,當(dāng)NaOH溶液濃度為7 mol/L時,前驅(qū)體為短棒狀結(jié)構(gòu);NaOH溶液濃度逐漸升高,促使前驅(qū)體形貌由短棒狀衍變?yōu)榫€狀。在NaOH溶液濃度為10 mol/L時,前驅(qū)體具有良好的分散性,且NTO NWs直徑趨于一致,維持在?(100±50) nm。當(dāng)NaOH溶液濃度為11 mol/L時,觀察到仍有少量納米線存在。當(dāng)NaOH溶液濃度增至12 mol/L,SEM圖像中幾乎無納米線狀結(jié)構(gòu)存在。電學(xué)性能測試結(jié)果如圖6所示。由圖6可見,當(dāng)NaOH溶液濃度從7 mol/L增大到10 mol/L時,BTO NWs/PVDF復(fù)合膜的開路電壓從1.74 V增大到5.31 V;繼續(xù)增大NaOH溶液濃度至12 mol/L,復(fù)合薄膜的開路電壓降至2.29 V。這是因為當(dāng)NaOH溶液濃度小于10 mol/L時,前驅(qū)體納米線開始形成,但此時反應(yīng)未完全進行,納米線濃度較低,晶型結(jié)構(gòu)不理想;當(dāng)NaOH溶液濃度達到10 mol/L時,此時反應(yīng)體系中生成產(chǎn)物為純相NTO,生成了結(jié)晶度更高、長徑比更大的納米線狀結(jié)構(gòu);當(dāng)繼續(xù)增大堿濃度,過強的堿性條件會抑制產(chǎn)物生成。因此,在水熱反應(yīng)過程中,最佳的堿濃度為10 mol/L,在此條件下合成的產(chǎn)物壓電輸出最優(yōu)。

圖5 不同NaOH濃度下合成前驅(qū)體的SEM圖像

圖6 不同堿濃度條件下制備的BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜電壓與電流輸出特性圖

為了探究水熱反應(yīng)過程中反應(yīng)時間對制備的PENGs性能的影響,在NaOH溶液濃度為10 mol/L時對不同反應(yīng)時間下制備的NTO NWs進行形貌結(jié)構(gòu)表征,并對復(fù)合薄膜進行了電學(xué)性能測試。圖7為不同反應(yīng)時間下制備的NTO的XRD衍射圖譜。由圖可見,當(dāng)反應(yīng)時間為4 h時,在10.5°和29.8°處出現(xiàn)微弱NTO特征峰,說明此時反應(yīng)還在進行中;當(dāng)反應(yīng)時間為6 h時,出現(xiàn)了明顯的特征峰且與NTO峰位對應(yīng);當(dāng)反應(yīng)時間達到10 h時,NTO特征峰強度最高且峰位置最佳;繼續(xù)增加反應(yīng)時間,峰高度有所下降,產(chǎn)物結(jié)晶度降低,XRD衍射圖無雜峰出現(xiàn)。

圖7 不同反應(yīng)時間下合成前驅(qū)體NTO的XRD圖譜

圖8為不同反應(yīng)時間下合成前驅(qū)體的SEM圖像。由圖可以看出,當(dāng)反應(yīng)時間為4 h時,產(chǎn)物為直徑?(2～4) μm的二維片狀結(jié)構(gòu);進一步反應(yīng)至6 h,片狀結(jié)構(gòu)逐漸裂解,出現(xiàn)細小納米線狀結(jié)構(gòu);延長反應(yīng)時間至8 h,納米線結(jié)構(gòu)明顯,但出現(xiàn)團聚現(xiàn)象;繼續(xù)反應(yīng)至10 h,納米線結(jié)構(gòu)更明顯且無團聚產(chǎn)生,微觀形貌最佳,納米線直徑為?(100～150) nm;反應(yīng)時間大于10 h,納米線開始出現(xiàn)卷曲并斷裂。不同反應(yīng)時間制備的BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜輸出特性如圖9所示。由圖9可見,隨著水熱反應(yīng)時間從4 h增加到10 h,PENGs的開路電壓和短路電流輸出均呈上升趨勢,開路電壓從1.69 V增大到5.42 V,短路電流從0.93 μA增大到1.81 μA。PENGs輸出性能提高的原因在于隨著反應(yīng)時間的延長,生成的NTO由二維片狀結(jié)構(gòu)逐漸裂解成細長的線狀結(jié)構(gòu),反應(yīng)時間為10 h時,納米線具有最佳的形貌結(jié)構(gòu)和分散性。隨著反應(yīng)時間延長至14 h,BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜的開路電壓下降至4.83 V,短路電流下降至1.4 μA。這可能是因為當(dāng)超過了臨界反應(yīng)時間后,前驅(qū)體NTO NWs的結(jié)晶度降低所導(dǎo)致。

圖8 不同反應(yīng)時間下合成前驅(qū)體的SEM圖像

圖9 不同反應(yīng)時間條件下制備的BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜的電壓與電流輸出特性圖

為了探究不同維度(1D和0D)BTO結(jié)構(gòu)對壓電輸出性能的影響,選用商用鈦酸鋇納米球(BTO NPs,直徑約為?80 nm)與本文制備的BTO NWs,并以相同的方法分別制備了BTO NPs/PVDF和BTO NWs/PVDF柔性復(fù)合薄膜,對比了相同摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的復(fù)合壓電薄膜的輸出特性,壓電輸出結(jié)果如圖10所示。

由圖10可見,隨著摻雜濃度的不斷升高,不同維度BTO摻雜的PENGs開路電壓和短路電流均呈現(xiàn)先上升后下降的趨勢,且添加BTO NWs的復(fù)合薄膜壓電輸出性能明顯高于添加相同質(zhì)量分?jǐn)?shù)的BTO NPs的復(fù)合薄膜的輸出性能。這是因為相較于BTO NPs,BTO NWs由于固有的一維線性結(jié)構(gòu),其具有更高的壓電常數(shù),在受到相同機械形變量時,BTO NWs/PVDF薄膜內(nèi)部的納米線產(chǎn)生軸向或徑向彎曲,從而產(chǎn)生更多的誘導(dǎo)電荷,在薄膜兩端產(chǎn)生了更高的電勢差。當(dāng)BTO 摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%增加到20%時,BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜的開路電壓從5.89 V增至9.34 V,短路電流從0.91 μA增至2.15 μA,復(fù)合薄膜的輸出性能隨著BTO NWs摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加而提升;BTO NPs/PVDF復(fù)合薄膜開路電壓從3.02 V提高到4.85 V,短路電流從0.61 μA提高到1.57 μA,復(fù)合薄膜的輸出性能隨著BTO NPs摻雜質(zhì)量的增加而提升。復(fù)合薄膜的壓電輸出性能隨著BTO NWs或BTO NPs添加含量的增加而提高,這可能是因為摻雜物BTO屬于無機壓電相,其壓電常數(shù)d33高達190 pC/N,遠高于PVDF(d33≈18 pC/N),而在一定摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)內(nèi),PENGs的整體壓電輸出能力主要取決于BTO的摻雜量[17]。當(dāng)摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)繼續(xù)增大到25%,BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜的開路電壓降至7.26 V,短路電流降至1.74 μA;BTO NPs/PVDF復(fù)合薄膜開路電壓降至3.31 V,短路電流降至1.17 μA,壓電納米發(fā)電機輸出性能的降低可能是由于BTO填料在PVDF基底中出現(xiàn)團聚造成的[18]。隨著BTO NWs納米填料含量的繼續(xù)增大,由于BTO NWs之間存在靜電力和范德華力,使得具有粗糙表面的BTO NWs之間相互嚙合的概率增加,無機壓電相BTO NWs與有機壓電相PVDF之間的相對接觸面積急劇變小,這抑制了PVDF中壓電β相的形成,使復(fù)合薄膜整體的介電常數(shù)降低。因此,在外力作用并產(chǎn)生相同的形變量的情況下,更高的摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)反而會導(dǎo)致復(fù)合壓電薄膜產(chǎn)生更低的壓電輸出響應(yīng)。

圖11是BTO NWs摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時,BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜的功率隨負載變化圖。將BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜串聯(lián)不同阻值的負載,并測試負載電阻兩端的電壓和電流輸出。瞬時輸出功率P為

(1)

式中:A為有效接觸面積;V為負載電阻R兩端的電壓降[19]。

由圖11(a)可知,復(fù)合薄膜輸出電流隨著負載電阻值的增大而降低,當(dāng)負載電阻為1 MΩ時,最大的輸出電流為1.7 μA,接近短路電流(2.15 μA);隨著負載電阻的增大,輸出電壓逐漸增大,當(dāng)負載電阻值為20 MΩ 時,輸出電壓為8.91 V,接近于開路電壓(9.34 V);當(dāng)負載電阻值為5 MΩ時,負載電阻值約等于復(fù)合薄膜內(nèi)阻值。由圖11(b)可知,負載電阻值為5 MΩ時,BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜的P達到最大值(為1.44 μW)。

圖11 BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜的功率圖

2.3 BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜介電特性分析

通過對復(fù)合材料進行傅里葉紅外光譜測試和強電場下?lián)舸姸葴y試,探究復(fù)合薄膜中不同納米填料的摻雜含量對剩余極化強度的影響。圖12(a)為不同BTO NWs添加量下復(fù)合薄膜的FT-IR光譜圖。其中,波數(shù)為763 cm-1和976 cm-1處的特征峰對應(yīng)PVDF非壓電α相,837 cm-1和1 273 cm-1處特征峰對應(yīng)壓電β相,1 236 cm-1處的特征峰則對應(yīng)α相與γ相。采用Lambert-Beer公式量化壓電β相的含量:

(2)

式中:Aα、Aβ分別為763 cm-1和837 cm-1處的吸光度;Kα=6.1×104cm2/mol,Kβ=7.7×104cm2/mol分別為對應(yīng)波數(shù)處的吸收系數(shù)。通過式(2)可得,質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0、10%、15%、20%、25%的BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜的F(β)值分別為66.9%、70.7%、72.2%、75.7%、68.4%,摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%的復(fù)合薄膜具有最高的壓電β相含量。

圖12(b)為納米復(fù)合材料的典型室溫(25 ℃)下的電滯回線。隨著BTO NWs摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)從10%增加到20%,復(fù)合薄膜的剩余極化強度從1.56 μC/cm2增大到1.91 μC/cm2,最大剩余極化強度可達到純PVDF薄膜的1.46倍。BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜的剩余極化強度的提高是因填料BTO NWs含量升高所致。當(dāng)摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)增至25%時,復(fù)合薄膜的剩余極化強度減小至1.63 μC/cm2,剩余極化強度的變化趨勢與上文中BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜的壓電輸出響應(yīng)保持一致。這可能是由于當(dāng)摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)超過臨界值時,BTO NWs因其不規(guī)則的形狀且攜帶大量的的表面能,填料之間開始出現(xiàn)大面積團聚,BTO NWs與PVDF基底之間有效接觸面積減少,這使得PVDF中非壓電α相向壓電β相轉(zhuǎn)變所需的成核位點大幅減少,復(fù)合壓電材料的剩余極化強度降低,故壓電性能降低。

圖12 BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜的電滯回線與剩余極化強度

2.4 BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜穩(wěn)定性測試

為了測試BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜的機械穩(wěn)定性,對其進行4 000次循環(huán)敲擊實驗,記錄輸出電壓,結(jié)果如圖13所示。當(dāng)復(fù)合薄膜經(jīng)過4 000次循環(huán)敲擊后,復(fù)合薄膜的輸出電壓穩(wěn)定在(8.73±0.5) V,無明顯下降,這表明BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜具有良好的機械穩(wěn)定性。

圖13 BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜的穩(wěn)定性測試

3 結(jié)束語

本文通過兩步水熱法制備了BTO NWs,確定了納米線生長的最適宜堿濃度和最佳反應(yīng)時間。隨著堿濃度的升高,復(fù)合薄膜的輸出特性表現(xiàn)為先增大后減少,當(dāng)堿濃度為10 mol/L時,開路電壓和短路電流達到最優(yōu)值,分別為5.31 V與1.83 μA。當(dāng)反應(yīng)時間為10 h時,開路電壓和短路電流最大可達5.14 V和1.81 μA。同時探究了不同BTO NWs摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)及不同維度BTO填料對復(fù)合薄膜輸出性能的影響,隨著摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)的增加,BTO NPs/PVDF復(fù)合薄膜和BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜的開路電壓及短路電流均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。在摻雜質(zhì)量分?jǐn)?shù)為20%時,BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜的開路電壓和短路電流達到峰值:開路電壓可達9.34 V,短路電流可達2.15 μA,分別是BTO NPs/PVDF復(fù)合薄膜的1.92倍和1.49倍。當(dāng)負載電阻值為5 MΩ時,BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜具有最大的瞬時輸出功率為1.44 μW。在穩(wěn)定性測試中,經(jīng)過4 000次循環(huán)敲擊測試后,BTO NWs/PVDF復(fù)合薄膜仍表現(xiàn)出良好的機械穩(wěn)定性和可靠性,有望廣泛應(yīng)用于自供電傳感器和可穿戴柔性電子設(shè)備等領(lǐng)域。