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

2023-01-18 來(lái)源：高分子科技

關(guān)鍵詞：壓電材料 PVDF-TrFE 聚碳酸酯核殼結(jié)構(gòu) 靜電紡絲振動(dòng)監(jiān)測(cè)

壓電材料由于其機(jī)電轉(zhuǎn)換能力而被廣泛應(yīng)用于能量收集器、振動(dòng)加速度傳感器、電子皮膚、人機(jī)交互界面等領(lǐng)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(yōu)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(wú)機(jī)材料如高鈦酸鉛(PZT)、鈦酸鋇(BTO)等，較低的壓電系數(shù)成為了限制其應(yīng)用的重大阻礙。

為了解決這一問(wèn)題，提升聚合物基壓電材料的壓電性能，上海交通大學(xué)黃興溢教授課題組創(chuàng)新性地提出了一種模量調(diào)控的策略，制備了核殼結(jié)構(gòu)的高性能全有機(jī)壓電纖維材料。通過(guò)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(nèi)核核殼結(jié)構(gòu)的壓電纖維(PC@PVDF-TrFE)。硬質(zhì)的PC內(nèi)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(fā)生相同的型變量時(shí)，產(chǎn)生更大的應(yīng)力，而更大的應(yīng)力作用于外層PVDF-TrFE，則產(chǎn)生更高的壓電輸出。另外，得益于PVDF-TrFE外殼和PC內(nèi)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(shù)。PC@PVDF-TrFE的壓電系數(shù)可達(dá)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(xiàn)出優(yōu)異的輸出性能。輸出電壓和功率分別可達(dá)126 V和710 mW m^-2，這一性能是目前全有機(jī)壓電材料中的最高數(shù)值。借助壓電纖維材料優(yōu)異的性能，將其用于電力設(shè)備的振動(dòng)傳感。使用柔性纖維壓電器件組建了無(wú)線式的變壓器振動(dòng)信號(hào)在線監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，可以敏銳地感知500 Hz以下的設(shè)備振動(dòng)并進(jìn)行故障預(yù)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(duì)比。(e) 基于壓電纖維的傳感器件應(yīng)用場(chǎng)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(duì)單根纖維的壓電性能進(jìn)行了表征，通過(guò)PFM振幅曲線計(jì)算得到PC@PVDF-TrFE的最高壓電系數(shù)可達(dá)49.1 pC N^-1。通過(guò)分子動(dòng)力學(xué)模擬和結(jié)晶度表征的結(jié)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(shù)的主因。

圖3 壓電纖維彈性模量的表征

首先通過(guò)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(cè)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(guò)PFM和AFM模量的表征、以及分子動(dòng)力學(xué)模擬和有限元模擬的結(jié)果，就可以清晰地認(rèn)識(shí)到為何PC@PVDF-TrFE展現(xiàn)出優(yōu)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(shù)。另一方面，硬質(zhì)的PC內(nèi)核增強(qiáng)了核殼纖維的整體模量，使其發(fā)生形變時(shí)產(chǎn)生更大的應(yīng)力。在這兩個(gè)因素共同作用之下，核殼結(jié)構(gòu)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(wú)機(jī)壓電陶瓷的復(fù)合壓電材料相比，也具有相當(dāng)大的優(yōu)勢(shì)，而更是遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了尼龍11、PVDF-TrFE等傳統(tǒng)有機(jī)壓電聚合物。

圖5 基于PC@PVDF-TrFE壓電纖維器件的變壓器振動(dòng)傳感應(yīng)用展示

PC@PVDF-TrFE優(yōu)異的壓電性能使其能夠靈敏地感知電力設(shè)備的振動(dòng)信號(hào)，對(duì)原始信號(hào)進(jìn)行快速傅里葉變換，就能夠進(jìn)行頻譜分析。使用WIFI模塊和接收終端（電腦），實(shí)現(xiàn)了振動(dòng)信號(hào)的無(wú)線傳輸與實(shí)時(shí)分析。

相關(guān)結(jié)果以”Modulus Modulated All-Organic Core-Shell Nanofiber with Remarkable Piezoelectricity for Energy Harvesting and Condition Monitoring”發(fā)表在國(guó)際期刊《Nano Letters》。上海交通大學(xué)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(xiàn)。這一研究工作得到了國(guó)家電網(wǎng)公司基礎(chǔ)前瞻項(xiàng)目的經(jīng)費(fèi)支持。

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

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（責(zé)任編輯：xu）

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