上海交大黄兴溢教授《Nano Lett.》：用于电力设备检测及能量捕集的全有机压电纳米纤维

2023-01-18 来源：高分子科技

压电材料由于其机电转换能力而被广泛应用于能量收集器、振动加速度传感器、电子皮肤、人机交互界面等领域。以聚偏氟乙烯(PVDF)及其衍生的共聚物为代表的聚合物压电材料，因其优异的柔性和易加工性而备受青睐。但是，聚合物压电材料相较于无机材料如高钛酸铅(PZT)、钛酸钡(BTO)等，较低的压电系数成为了限制其应用的重大阻碍。

为了解决这一问题，提升聚合物基压电材料的压电性能，上海交通大学黄兴溢教授课题组创新性地提出了一种模量调控的策略，制备了核壳结构的高性能全有机压电纤维材料。通过同轴静电纺丝的方法，制备了具有聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)壳层，聚碳酸酯(PC)内核核壳结构的压电纤维(PC@PVDF-TrFE)。硬质的PC内核提升了纤维的整体模量，与纯PVDF-TrFE纤维相比，更高的模量使核壳纤维在发生相同的型变量时，产生更大的应力，而更大的应力作用于外层PVDF-TrFE，则产生更高的压电输出。另外，得益于PVDF-TrFE外壳和PC内核之间的氢键相互作用，PVDF-TrFE的极性β相含量也获得提升，从而增加了压电纤维整体的压电系数。PC@PVDF-TrFE的压电系数可达49.1 pC N^-1，比纯PVDF-TrFE高出110%。基于PC@PVDF-TrFE纤维的压电能量采集器件表现出优异的输出性能。输出电压和功率分别可达126 V和710 mW m^-2，这一性能是目前全有机压电材料中的最高数值。借助压电纤维材料优异的性能，将其用于电力设备的振动传感。使用柔性纤维压电器件组建了无线式的变压器振动信号在线监测系统，可以敏锐地感知500 Hz以下的设备振动并进行故障预警。

图1 (a), (b) 核壳纤维的制备示意图与TEM平面、横截面表征。(c), (d) 纯PVDF-TrFE与PC@PVDF-TrFE纤维压电器件的输出性能对比。(e) 基于压电纤维的传感器件应用场景示意图

图2 纤维压电性能的综合表征

如图2所示，使用压电力显微镜(PFM)对单根纤维的压电性能进行了表征，通过PFM振幅曲线计算得到PC@PVDF-TrFE的最高压电系数可达49.1 pC N^-1。通过分子动力学模拟和结晶度表征的结果，证明了PVDF-TrFE和PC界面间存在的氢键，这是提升核壳纤维压电系数的主因。

图3 压电纤维弹性模量的表征

首先通过有限元模拟(COMSOL)证明了具有更高模量的PVDF-TrFE/PC共混纤维和PC@PVDF-TrFE核壳纤维，在相同的型变量下，可以比纯PVDF-TrFE输出更高的电压。之后利用AFM测试了纤维材料的弹性模量，表征得到随着PC的含量在核壳纤维中从10%提升到50%，PC@PVDF-TrFE样品的弹性模量从14.0 MPa上升到35.1 MPa。

通过PFM和AFM模量的表征、以及分子动力学模拟和有限元模拟的结果，就可以清晰地认识到为何PC@PVDF-TrFE展现出优异的压电性。一方面，PC和PVDF-TrFE界面间形成的氢键使纤维的极性β相含量增加，提升了纤维的压电系数。另一方面，硬质的PC内核增强了核壳纤维的整体模量，使其发生形变时产生更大的应力。在这两个因素共同作用之下，核壳结构的压电输出相较于纯PVDF-TrFE纤维就获得了巨幅提升。

图4 基于PC@PVDF-TrFE纤维的压电器件输出性能综合表征

可以看到，PC@PVDF-TrFE纤维的输出性能，即使与添加了PZT、钛酸钡等无机压电陶瓷的复合压电材料相比，也具有相当大的优势，而更是远远超过了尼龙11、PVDF-TrFE等传统有机压电聚合物。

图5 基于PC@PVDF-TrFE压电纤维器件的变压器振动传感应用展示

PC@PVDF-TrFE优异的压电性能使其能够灵敏地感知电力设备的振动信号，对原始信号进行快速傅里叶变换，就能够进行频谱分析。使用WIFI模块和接收终端（电脑），实现了振动信号的无线传输与实时分析。

相关结果以”Modulus Modulated All-Organic Core-Shell Nanofiber with Remarkable Piezoelectricity for Energy Harvesting and Condition Monitoring”发表在国际期刊《Nano Letters》。上海交通大学电气材料与绝缘研究中心博士生柴彬是论文第一作者，黄兴溢教授作为通讯作者，盛戈皓教授和王亚林副教授等亦有重要贡献。这一研究工作得到了国家电网公司基础前瞻项目的经费支持。

论文链接：https://doi.org/10.1021/acs.nanolett.2c04674

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（责任编辑：xu）

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