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上海交大黃興溢教授《Nano Lett.》：用于電力設備檢測及能量捕集的全有機壓電納米纖維

2023-01-18 來源：高分子科技

壓電材料由于其機電轉換能力而被廣泛應用于能量收集器、振動加速度傳感器、電子皮膚、人機交互界面等領域。以聚偏氟乙烯(PVDF)及其衍生的共聚物為代表的聚合物壓電材料，因其優異的柔性和易加工性而備受青睞。但是，聚合物壓電材料相較于無機材料如高鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鋇(BTO)等，較低的壓電系數成為了限制其應用的重大阻礙。

為了解決這一問題，提升聚合物基壓電材料的壓電性能，上海交通大學黃興溢教授課題組創新性地提出了一種模量調控的策略，制備了核殼結構的高性能全有機壓電纖維材料。通過同軸靜電紡絲的方法，制備了具有聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)殼層，聚碳酸酯(PC)內核核殼結構的壓電纖維(PC@PVDF-TrFE)。硬質的PC內核提升了纖維的整體模量，與純PVDF-TrFE纖維相比，更高的模量使核殼纖維在發生相同的型變量時，產生更大的應力，而更大的應力作用于外層PVDF-TrFE，則產生更高的壓電輸出。另外，得益于PVDF-TrFE外殼和PC內核之間的氫鍵相互作用，PVDF-TrFE的極性β相含量也獲得提升，從而增加了壓電纖維整體的壓電系數。PC@PVDF-TrFE的壓電系數可達49.1 pC N^-1，比純PVDF-TrFE高出110%。基于PC@PVDF-TrFE纖維的壓電能量采集器件表現出優異的輸出性能。輸出電壓和功率分別可達126 V和710 mW m^-2，這一性能是目前全有機壓電材料中的最高數值。借助壓電纖維材料優異的性能，將其用于電力設備的振動傳感。使用柔性纖維壓電器件組建了無線式的變壓器振動信號在線監測系統，可以敏銳地感知500 Hz以下的設備振動并進行故障預警。

圖1 (a), (b) 核殼纖維的制備示意圖與TEM平面、橫截面表征。(c), (d) 純PVDF-TrFE與PC@PVDF-TrFE纖維壓電器件的輸出性能對比。(e) 基于壓電纖維的傳感器件應用場景示意圖

圖2 纖維壓電性能的綜合表征

如圖2所示，使用壓電力顯微鏡(PFM)對單根纖維的壓電性能進行了表征，通過PFM振幅曲線計算得到PC@PVDF-TrFE的最高壓電系數可達49.1 pC N^-1。通過分子動力學模擬和結晶度表征的結果，證明了PVDF-TrFE和PC界面間存在的氫鍵，這是提升核殼纖維壓電系數的主因。

圖3 壓電纖維彈性模量的表征

首先通過有限元模擬(COMSOL)證明了具有更高模量的PVDF-TrFE/PC共混纖維和PC@PVDF-TrFE核殼纖維，在相同的型變量下，可以比純PVDF-TrFE輸出更高的電壓。之后利用AFM測試了纖維材料的彈性模量，表征得到隨著PC的含量在核殼纖維中從10%提升到50%，PC@PVDF-TrFE樣品的彈性模量從14.0 MPa上升到35.1 MPa。

通過PFM和AFM模量的表征、以及分子動力學模擬和有限元模擬的結果，就可以清晰地認識到為何PC@PVDF-TrFE展現出優異的壓電性。一方面，PC和PVDF-TrFE界面間形成的氫鍵使纖維的極性β相含量增加，提升了纖維的壓電系數。另一方面，硬質的PC內核增強了核殼纖維的整體模量，使其發生形變時產生更大的應力。在這兩個因素共同作用之下，核殼結構的壓電輸出相較于純PVDF-TrFE纖維就獲得了巨幅提升。

圖4 基于PC@PVDF-TrFE纖維的壓電器件輸出性能綜合表征

可以看到，PC@PVDF-TrFE纖維的輸出性能，即使與添加了PZT、鈦酸鋇等無機壓電陶瓷的復合壓電材料相比，也具有相當大的優勢，而更是遠遠超過了尼龍11、PVDF-TrFE等傳統有機壓電聚合物。

圖5 基于PC@PVDF-TrFE壓電纖維器件的變壓器振動傳感應用展示

PC@PVDF-TrFE優異的壓電性能使其能夠靈敏地感知電力設備的振動信號，對原始信號進行快速傅里葉變換，就能夠進行頻譜分析。使用WIFI模塊和接收終端（電腦），實現了振動信號的無線傳輸與實時分析。

相關結果以”Modulus Modulated All-Organic Core-Shell Nanofiber with Remarkable Piezoelectricity for Energy Harvesting and Condition Monitoring”發表在國際期刊《Nano Letters》。上海交通大學電氣材料與絕緣研究中心博士生柴彬是論文第一作者，黃興溢教授作為通訊作者，盛戈皓教授和王亞林副教授等亦有重要貢獻。這一研究工作得到了國家電網公司基礎前瞻項目的經費支持。

論文鏈接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04674

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（責任編輯：xu）

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