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上海交大黃興溢教授《Nano Lett.》：用于電力設(shè)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(zhuǎn)換能力而被廣泛應(yīng)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(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機材料如高鈦酸鉛(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(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(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，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49.1 pC N-1，比純PVDF-TrFE高出110%；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(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(jiān)測系統(tǒng)，可以敏銳地感知500 Hz以下的設(shè)備振動并進行故障預(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比。(e) 基于壓電纖維的傳感器件應(yīng)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(shù)可達49.1 pC N-1。通過分子動力學模擬和結(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(jié)果，就可以清晰地認識到為何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)核增強了核殼纖維的整體模量，使其發(fā)生形變時產(chǎn)生更大的應(yīng)力。在這兩個因素共同作用之下，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、鈦酸鋇等無機壓電陶瓷的復(fù)合壓電材料相比，也具有相當大的優(yōu)勢，而更是遠遠超過了尼龍11、PVDF-TrFE等傳統(tǒng)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(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(xiàn)了振動信號的無線傳輸與實時分析。


  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(wǎng)公司基礎(chǔ)前瞻項目的經(jīng)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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