摘要
具有高压电常数和应用稳定性的压电聚合物材料聚偏氟乙烯(PVDF)是一种在机电换能、柔性传感和人机交互等应用领域中十分重要的智能材料，是柔性智能可穿戴设备和智能纺织服装中柔性能量收集器件与柔性传感器的理想材料。静电纺丝是一种简便且高效制备压电纳米纤维结构的技术，为了提升PVDF压电纳米纤维及换能器件的能量转换效率，常用方法为优化静电纺丝工艺和条件，以及在纺丝液中添加功能性纳米填料来提升PVDF纳米纤维本身的压电β相含量，但是这些方法的提升效果仍未达到理想的水平。 本研究从电极结构这一不同角度出发，提出了在纳米纤维成型过程中构筑包覆在PVDF纳米纤维表面的三维电极结构这一设想，利用三维电极结构与纳米纤维网膜内部纤维的接触来更加有效的迁移纳米纤维网膜所产生的压电电荷，从而提升能量装换效率。实验中使用了自制的高电导率且具有优异溶液加工性的MXene纳米片，使用同步静电纺丝/静电喷涂工艺将MXene纳米片紧密包覆到纤维表面，并在纳米片之间形成导通，最终构筑出三维电极结构。通过实验和仿真模拟手段探究了各种包覆条件对复合纳米纤维压电换能器性能的影响，证实了包覆在纤维表面的三维电极结构对纳米纤维压电能量转换性能具有有效提升。最后将复合纳米纤维压电换能器应用于人体动作和语言识别等应用。具体研究结果如下: (1)使用LiF+HCl刻蚀的方法，成功制备了高质量MXene纳米片。利用实验室搭建的实验装置在进行PVDF静电纺丝的同时，同步静电喷涂MXene分散液，经过一系列优化，成功将MXene纳米片紧密均匀包覆在PVDF纳米纤维表面。当分散液浓度高于一定水平时，MXene纳米片在PVDF纳米纤维表面形成有效包覆，三维结构中MXene纳米片相互连通，构筑了一种新型的多孔电极。利用高温处理可以去除复合纳米纤维结构（P/M层）中的聚合物纳米纤维组分，得到独立成片的多孔三维MXene电极，最高比表面积可达660.10m2/g。 (2)MXene分散液浓度以及P/M复合层在整个压电纳米纤维网膜中的厚度占比都对复合纳米纤维网膜的压电输出性能有明显影响。结果表明在MXene分散液浓度为6mg/mL，P/M复合层厚度占比为50％时P+P/M复合纳米纤维网膜压电输出性能最好，开路电压和短路电流分别为9.56V和1.21μA，比同样厚度纯PVDF纳米纤维网膜的数值提升了307％和426％。通过在纯PVDF纳米纤维网膜双面都制备三维电极结构，三层结构的P/M+P+P/M复合纳米纤维网膜压电换能器，开路电压与短路电流进一步提升到13.88V和1.86μA，双层P+P/M复合纳米纤维压电换能器输出数值分别又提升了45.1％和53.1％。当外接负载电阻为10MΩ时，P+P/M复合纳米纤维换能器最大输出功率密度为8.783mW/m2。器件具有良好的循环稳定性，在SN压力条件下，经7000个按压释放试验循环后仍稳定输出。 (3)利用有限元分析软件COMSOLMultiphysics仿真模拟了MXene包覆形成的三维电极结构对复合纳米纤维网膜压电能量转换性能的影响。而随着模拟施加压力的逐渐增大，压电换能器的输出电压信号呈线性增加。随着MXene包覆层厚度的逐渐增加，换能器产生的电压呈先增加后递减的趋势。仿真模拟得出的压电输出信号变化趋势与实验结果基本相同。 (4)将P+P/M复合纳米纤维压电换能器用作无源传感，用于人体动作和语言识别应用。可以有效识别人体发声振动、手指关节弯曲、手指拾物、面部表情变化、颈部转动和侧头，以及摩斯密码按击等动作。表明在纤维表面构筑的三维电极结构能够有效提升PVDF压电纳米纤维的能量转换性能，复合压电纳米纤维网膜可在今后可应用于柔性可穿戴器件、智能纺织服装以及人机交互等领域的应用。
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