我校在超高温聚合物纳米纤维压电材料研究方面再突破

来源:天津工业大学

近年来，我校纺织科学与工程学院王闻宇教授和林童教授团队在新型纳米纤维压电聚合物材料研究方面取得一系列原创性研究成果。最近，该团队又在国际著名期刊《Nano Energy》（影响因子17.881）发表了题为《Thermoacoustic energy harvesting using thermally-stabilized polyacrylonitrile nanofibers》的文章，详细介绍了他们用超耐温聚丙烯腈压电纳米纤维实现将热能转换为电能的研究成果（纺织科学与工程学院博士生郑意德与王闻宇教授为共同第一作者，金欣教授与林童教授为通讯联络人；论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.106995）。

工业生产每年都会产生几十亿吨煤当量的废热，它们往往被直接排放，造成巨大污染浪费。废热回收不仅可以降低生产成本，而且有利于减少碳排放。实现废热回收的一个重要途径是将它们转换成热声波，然后再由热声波转换为电能。将一般热能转换成热声波已有较成熟的技术，而如何将较高温度的热声波有效地转换为电能，在材料研究方面仍是一个难题。

此前，王闻宇教授和林童教授团队开发出了一种超耐温的压电纳米纤维薄膜，可以在高达550°C的环境下将机械力转换为电能，突破了聚合物压电材料的耐温记录。在此基础上，该团队又进一步发现该耐温压电纳米纤维薄膜具有优异的声电转换功能，能量转换效率高达86.6%，且环境温度对声电性能几乎没有影响。

为了证明纳米纤维高温声电器件对热声波转换的可能性，该团队自制了一个微型热声发动机作为声源，与纳米纤维声电器件联用进行研究。结果显示：一个9cm2的声电器件，可成功将热声发动机产生的热声波转换为102V的电压，功率密度高达324mW/m2。所产生的电能可以直接驱动至少30盏商业LED和为锂电池充电。

经测试，该微型热声发动机可以以喷枪火焰、酒精灯、烛火、柴火、聚焦的太阳光为热源产生热声波，且产生的热声波均可以被纳米纤维声电器件转换为电能。因此，该技术不仅可以用于废热回收，而且可以灵活地在各种户外场景下将热能转换为电能，用于野外紧急情况下的电力供应。

该研究中将纳米纤维压电聚合物膜用于高温环境下的声电转换和将热能通过热声波转换为电能均为首创，实现了超高温聚合物纳米纤维压电材料研究方面的又一突破。此研究得到了天津市自然科学基金重点项目和天津工业大学纤维培育基金项目的支持。