基于PVDF柔性压电薄膜的性能优化与嵌入式设计开发
这是一篇关于静电纺丝,PVDF纳米纤维膜,脉冲计数仪,自供电触摸板,嵌入式设计的论文, 主要内容为聚偏氟乙烯(PVDF)具有高的物理化学稳定性和压电性,其作为传感器的应用受到科研工作者的广泛关注。静电纺丝法制备自支撑纳米纤维膜是一种新型的技术手段,是提高PVDF固有压电性质并赋予其可弯折柔性的有效方法。为提高PVDF薄膜的压电性能,本文以PVDF为基底,通过原位共混掺杂法,制备出复合PVDF静电纺丝柔性纤维膜;采用多种现代分析手段对所制备材料进行了形貌表征和性能测试。根据纤维膜不同的压电输出特性,设计开发了两种应用方向的嵌入式软硬件集成系统。本论文的主要研究内容如下:(1)基于PVDF二元掺杂纤维膜的可穿戴脉冲计数仪为获得具有良好经济性、机械性、压电性(高β相含量)的PVDF压电传感器。首先是材料的制备:以PVDF溶液为基础液,一定比例的纳米Zn O和纳米碳粉与之混合作为电纺丝溶液,通过静电纺丝法制备出二元掺杂PVDF纳米纤维膜。其次是电路设计:根据所制备薄膜的特性(压电特性、输出范围、机械性能)和应用场景,确定硬件电路主要组成为:放大电路,数字化电路,主控芯片(单片机),显示电路。PVDF纳米纤维膜位于放大电路的输入端。最后,信号处理电路中,各组件之间的数据传输需要紧密衔接,并对显示信号所表达的涵义进行可视化‘翻译’。因此进行了以下程序设计:一、芯片通信以及信号传输程序设计,用以进行单片机与显示器之间的数据交流;二、单片机对信号的运算处理程序,读取单片机在固定时长内检测到的脉冲次数,经过运算处理转化为速率。通过多种现代表征手段分析了薄膜的形貌和结构,证实了其β相含量与机械性能的提高。通过嵌入式仿真软件和编程软件,对电路的合理性、程序的主要功能进行测试。最后根据整体设计组装‘计数仪’,成功构建了一种计数准确、灵敏度高,传感部分可穿戴,电路部分可集成的脉冲计数仪模型。(2)基于PVDF三元掺杂纤维膜的自供电大面积柔性触摸板为了解决PVDF静电纺丝纤维膜本身机械强度较低,易粉末化、难于从收集板上分离的问题。在上一章二元掺杂PVDF薄膜的基础上,进一步添加Si O2纳米颗粒改性剂以提高材料的韧性和压电性能。具体而言,将一定比例的正硅酸乙酯(TEOS)与氨水混合,充分反应后,将所配制的溶液通过静电纺丝法制备出Zn O-C-Si O2三元掺杂PVDF纳米纤维膜。该纤维膜的韧性强度得到显著增强,并且从收集板上可完整取下而无破碎。大面积、完整的PVDF三元掺杂纳米纤维膜的成功制备为构建触摸板提供了材料基础。在纳米纤维膜下加上铝箔导电层,以便对纤维膜按压信号进行多点位取样和传递。信号处理电路主要组成为:放大电路,A/D转换电路,参考电压电路,主控芯片(单片机),显示电路等。程序设计以‘定位算法’为核心,以单片机、A/D转换芯片以及显示器之间的数据流为‘骨架’。最终实现按压不同区域,可显示响应区域编号的输入输出转换。通过多种现代表征手段分析了薄膜的形貌和结构,证实了其β相含量与机械性能的进一步提高。通过嵌入式仿真软件和编程软件,对电路的合理性、程序所要实现的主要功能进行测试。最后根据整体设计组装‘触摸板’,成功构建了一种新型的自供电大面积柔性触摸板设备模型。
静电纺丝设备优化设计及纳米纤维的制备研究
这是一篇关于静电纺丝,纳米纤维,机械结构,控制系统,硅基负极的论文, 主要内容为由于纳米材料具有小尺寸效应、表面与界面效应、量子尺寸效应等不同于普通材料的优异特性,使其已广泛的应用于诸多科学领域。作为纳米材料诸多形态中的一类,纳米纤维具有比表面积大、长径比大、孔隙率高等优良特性,已成功应用于生物医学、食品科学、能源化工等工业领域。目前可制备纳米纤维的技术很多,其中静电纺丝技术应用较为广泛。但传统静电纺丝设备的结构简易、纺丝效率低、纤维有序度低,且市场化设备的价格昂贵、体积庞大。针对以上问题,本文设计一款具有成本低、体积小、纺丝效率高、纤维有序度高等特点的静电纺丝设备,可满足相关科研机构进行基础实验研究的需求。本文主要研究内容如下:(1)首先针对市场化静电纺丝设备存在的问题,提出设备的功能要求及技术指标,并对设备的系统方案进行选型。分析不同的方案后,确定滚珠丝杠作为三维运动系统的执行机构、步进电机作为动力源,设备的控制系统选用PLC。(2)其次对静电纺丝设备的机械系统与控制系统进行设计。对滚珠丝杠与步进电机进行理论计算并确定其型号:针对纺丝效率低的问题,设计了一款多喷头纺丝装置。该装置可应用不同数量喷头进行纺丝,有效提高了纺丝面积与纺丝效率;针对纤维有序度差的问题,设计了一款磁场辅助装置。该装置可调节磁场方向以实现纤维的有序化纺制。控制系统包括硬件选型、电气接线图、程序设计三部分。其中硬件选型确定了驱动器、PLC、触摸屏等电气设备的型号;电气接线图包括控制设备接线及纺丝设备整体电路接线;程序设计包括PLC程序及触摸屏程序设计。(3)最后验证静电纺丝设备的功能性,并将纳米纤维应用于锂离子电池硅基负极中。实验结果显示,纺丝电压为15 kV/纺丝间距为15 cm时纤维的直径分布最小(约600 nm);磁力大小为0.5 T/磁铁间距为2.0 cm时纤维的有序度较好;多喷头装置可有效提升纺丝面积与纺丝效率;分别将无序与有序纤维应用于锂离子电池硅基负极中,结果显示有序纤维较无序纤维可显著提升锂离子电池的电化学性能。本文自主设计的静电纺丝设备的体积与成本相较于市场化设备均显著降低;预期设计的功能经过实验验证均可实现,且较于小型化设备其纺丝面积大、纤维有序度与纺丝效率均显著提升;控制系统集成于触摸屏可实现人机交互,节约了实验时间并提高了实验的安全性。本文自主设计的静电纺丝设备的功能齐全,可满足相关科研机构的实验需求,对小型化静电纺丝设备的进一步研发具有较强的借鉴意义。
基于亲水性MOFs的高效油水分离膜的设计与制备
这是一篇关于静电纺丝,油水分离,金属有机骨架化合物,抗油污的论文, 主要内容为在油品的开采、运输和使用过程中,经常产生大量的含油污水,高效地处理含油污水对解决环境污染和水资源短缺具有重大意义。针对现阶段油水分离膜普遍存在的效率低、易受污染等问题,本工作利用亲水性金属有机骨架化合物(UiO-66-NH2)纳米功能材料分别对不锈钢金属网膜和聚丙烯腈纳米纤维膜进行改性处理,设计并制备出具有高通量、高截留率和超强抗油污性的高效油水分离膜材料,研究结论如下:(1)通过自组装方法在金属网膜(SSM)上依次修饰UiO-66-NH2纳米颗粒和氧化石墨烯(GO)纳米片,成功构建了GO/UiO-66-NH2/SSM多级结构。该多级结构与表面亲水性基团的协同增强作用,使得该金属网膜具有超亲水性(水接触角～0o)、水下超疏油性(油接触角～163o)和优异的抗油污性(油附着力～0),进而,该金属网膜展现出超高的分离通量(54500 L m-2h-1)和优异的截留率(>99.9%)。此外,该金属网膜还具有耐蚀性好、耐磨性强、使用寿命长等优点,表明该金属网膜在处理含油污水方面具有很大的工程应用前景。(2)通过自组装方法在聚丙烯腈纳米纤维膜上修饰UiO-66-NH2纳米颗粒,成功制备了超亲水/水下超疏油性复合纳米纤维膜。由于膜表面微纳结构与UiO-66-NH2上亲水性羧基和氨基的协同作用,所得的复合膜展示出了优异的抗油污性能,能够实现对各种微米级油水乳液的快速高效分离。其中在0.2 mol/L UiO-66-NH2分散液中制备的复合膜的分离效率最佳,截留率超过99%,分离通量可达2107 L m-2h-1,比传统油水分离膜的通量高一个数量级,并且具有优异的耐酸碱性和循环使用性能。本工作为设计开发高效油水乳液分离膜材料提供了新思路。
基于亲水性MOFs的高效油水分离膜的设计与制备
这是一篇关于静电纺丝,油水分离,金属有机骨架化合物,抗油污的论文, 主要内容为在油品的开采、运输和使用过程中,经常产生大量的含油污水,高效地处理含油污水对解决环境污染和水资源短缺具有重大意义。针对现阶段油水分离膜普遍存在的效率低、易受污染等问题,本工作利用亲水性金属有机骨架化合物(UiO-66-NH2)纳米功能材料分别对不锈钢金属网膜和聚丙烯腈纳米纤维膜进行改性处理,设计并制备出具有高通量、高截留率和超强抗油污性的高效油水分离膜材料,研究结论如下:(1)通过自组装方法在金属网膜(SSM)上依次修饰UiO-66-NH2纳米颗粒和氧化石墨烯(GO)纳米片,成功构建了GO/UiO-66-NH2/SSM多级结构。该多级结构与表面亲水性基团的协同增强作用,使得该金属网膜具有超亲水性(水接触角～0o)、水下超疏油性(油接触角～163o)和优异的抗油污性(油附着力～0),进而,该金属网膜展现出超高的分离通量(54500 L m-2h-1)和优异的截留率(>99.9%)。此外,该金属网膜还具有耐蚀性好、耐磨性强、使用寿命长等优点,表明该金属网膜在处理含油污水方面具有很大的工程应用前景。(2)通过自组装方法在聚丙烯腈纳米纤维膜上修饰UiO-66-NH2纳米颗粒,成功制备了超亲水/水下超疏油性复合纳米纤维膜。由于膜表面微纳结构与UiO-66-NH2上亲水性羧基和氨基的协同作用,所得的复合膜展示出了优异的抗油污性能,能够实现对各种微米级油水乳液的快速高效分离。其中在0.2 mol/L UiO-66-NH2分散液中制备的复合膜的分离效率最佳,截留率超过99%,分离通量可达2107 L m-2h-1,比传统油水分离膜的通量高一个数量级,并且具有优异的耐酸碱性和循环使用性能。本工作为设计开发高效油水乳液分离膜材料提供了新思路。
基于BiCl3/PVDF-TRFE复合膜的足底压力传感器及其在帕金森病步态分析中的应用
这是一篇关于静电纺丝,PVDF-TrFE复合膜,6路信号采集阵列,帕金森病识别的论文, 主要内容为帕金森病(Parkinson’s disease,PD)已成为我国老年人的主要威胁之一,它是一种神经退行性疾病,身体的一个或者多个部位出现震颤和不自主颤抖,运动迟缓,肌肉僵硬,步态障碍及其导致的平衡问题。步态分析是帕金森病运动症状识别的重要手段,可以辅助医生做出准确的诊断。传统接触式的步态信号检测法如三维平台测力系统和压力测试平板系统都是通过无机刚性压电材料制作的压力传感器,具有不可穿戴、实时性差等缺点,对于帕金森病步态信号检测有一定的局限性。因此,有效的步态信号检测方式和处理分析方法对帕金森病患者的诊断具有重要的研究意义。首先,针对无机压电传感器的短板以及有机材料制作工艺的缺陷,本文提出了一种基于聚(偏氟乙烯-三氟乙烯)(PVDF-TrFE)-氯化铋(BiCl3)的复合柔性纳米压电薄膜的设计方案。淘汰了上一代高压静电纺丝设备,自主搭建了温湿度可控的静电纺丝装置。提出了一种静电纺丝技术制备BiCl3/PVDF-TrFE复合膜的方法,制备了含BiCl3不同质量分数的BiCl3/PVDF-TrFE复合柔性压电薄膜,在扫描电镜下观察了不同复合膜样品纤维的微观形貌结构,探究了不同质量分数的BiCl3对复合压电薄膜纤维β相含量的影响。其次,以复合膜作为功能层,设计并封装成“三明治”结构的柔性压电传感器。通过压电输出实验测试了含BiCl3不同质量分数的复合压电传感器的开路电压和短路电流,结果表明,含BiCl3为2 wt%的PVDF-TrFE传感器在30 Hz下的压电性最好,同时线性度和重复性测试证明该传感器具有良好的输出线性度和复现性。再次,设计了四个模块的单路信号采集电路:第一是起到主要放大功能的电荷放大电路,采用LMC6081运放作为设计核心;第二是采用了INA128芯片的电压放大电路;第三是采用NE5532的偏置电路和电源管理电路;最后是滤波电路。最终可以实现p C、n C级信号采集与放大。依靠前面的试验验证并设计了基于MSP430F5529 Launch Pad单片机平台的6路信号采集阵列,可实现同时采集6路微小信号。最后,本文通过基础分析,得出了帕金森患者与正常人行走时区别最大的6个足底压力点位,通过滑动窗口法对原始信号进行滤波,并提取了足底压力峰值相关的时域特征。针对于帕金森患者的步态检测,提出了一种基于SVM模型的行走时的足底压力识别方法,实验结果表明,帕金森病患者和正常人行走时的主要压力区别在脚后跟,并且对二者的步态识别准确率达到81.67%。研究结果表明,本文提出的基于BiCl3/PVDF-TrFE复合膜的鞋垫式柔性压电传感器的帕金森病步态识别方法具有一定的系统可行性和先进性,在足底压力和步态识别等领域有一定的参考价值。
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