近场电纺纳米纤维物理性能的诱变机制与行为规律

近场电纺技术兼具低成本可控直写、制造过程中实现性能诱变的双重优势，将是实现极具前景的聚合物微纳系统、柔性电子产业化制造的有效手段。揭示近场电纺微纳结构物理性能的诱变机制和行为规律将为电纺微纳结构性能调控奠定基础。本项目针对近场电纺诱变机制与行为开展基础研究，主要研究内容包括：近场电纺射流电场、流变、应力场及其演化行为的建模与仿真；电纺微纳结构分子取向机制、行为规律；电纺微纳结构物理性能诱变规律；微纳结构物理性能测试系统的构建及性能测试等；以电纺PVDF压电纳米纤维为例，结合硅MEMS执行器，实现单根纳米纤维与执行器的集成及分子取向、物理性能的测试。阐明近场电纺聚合物微纳结构物理性能的诱变机制；揭示电纺过程分子取向的多场作用或其耦合作用的规律。构建微纳结构的分子取向水平、宏观物理性能与电纺电场、沉积间距、探针喷头尺寸、射流速度等的关系。有利于聚合物电纺、多场耦合诱导行为等一类科学问题的认识。

可控、低成本制造聚合物一维微纳结构，并在制造过程中诱导微纳结构的性能增强是器件、材料、制造等领域研究者的共同追求。揭示近场电纺微纳结构物理性能的诱变机制和行为规律是实现近场电纺技术应用于聚合物微纳系统、柔性电子产业化制造的基础。课题主要研究了对电纺过程中射流在多场耦合作用下的流变行为规律，掌握了不同参数对射流流速的影响；开展了电纺诱导PVDF微纳纤维分子链取向机制及行为规律的研究，发现了电纺中的机械拉伸的作用是诱导形成β晶相，而电场所起的极化作用是使β晶相上的偶极发生统一取向，并使PVDF纤维具有出色的压电效应的关键因素；电纺PVDF微纳纤维，测试评价了电纺诱导相变水平及压电效应水平；建立了压电效应水平与电纺电场、沉积间距、探针喷头尺寸、射流速度等的定量关系，发现电场的增大对PVDF压电信号的增强影响最大；设计并制备了基于MEMS的传感器原理样机，其灵敏度为2214.4mV/MPa（放大倍数20000），最优线性度为2.8%；开发了性能检测模块，构建了可靠的性能测试系统和方法。本项目为近场电纺功能纳米纤维在微纳系统中的集成应用奠定技术基础。