准1-3型陶瓷-PVDF复合纳米纤维有序阵列的制备及压电性能研究

The composites of piezoelectric polymer and piezoelectric ceramic can be integrated to the advantage of the two materials, with strong piezoelectricity, low brittleness, low density and low dielectric constant, etc. The piezoelectric composites are very promising piezoelectric materials in the intelligent material field. Therefore, the research include: a) preparation of quasi 1-3 piezoelectric composite nanofiber arrays by aligned electrospinning of a mixture of poly(vinylidene fluoride) (PVDF) and piezoelectric ceramic nanopowders; b) characterization of fiber structure, dielectric properties, piezoelectric properties (piezoelectric strain constant, and electromechanical coupled coefficient, and machinery quality factor); c)investigation on affecting factors (such as ceramic kinds, size, and connectivity in the fiber) on PVDF crystal phase and piezoelectric properties of the resulting fiber; d)analysis of the effects of electrospinning 1D nanostructures on piezoelectric properties of the composite materials. This project, will explore a simple and effective approach for the preparation of nanomaterials with outstanding piezoelectric properties, and make foundation of preparation of the high-performance and flexible piezoelectric sensor. In addition, the project will provide valuable information on study of 1D nano piezoelectrics.

将压电陶瓷与压电聚合物复合制成压电复合材料,可综合两种材料的优势，具有强压电性、低脆性、低密度和低介电常数等优点,是智能材料系统与结构中很有前途的压电材料。 因此，本项目提出以聚偏氟乙烯（PVDF）与压电陶瓷（PZT或BT）超细纳米粉体为材料，采用定向静电纺丝方法研制准1-3型陶瓷-PVDF复合纳米纤维及有序纤维阵列，将纤维组装成压电传感原型器件。通过对单根、阵列纤维结构的表征和介电、压电特性（压电应变常数、机电耦合系数、机械品质因数）等的测量，研究压电陶瓷和准1-3型复合纳米结构对PVDF晶型及纤维压电性能的影响规律，从微观（单根纤维）到宏观（纤维阵列），分析电纺过程和一维纳米结构对复合材料压电性能的影响。 本项目的开展，将为研制高压电性能纳米复合材料探索出一条简单、有效的新途径，并为进一步制备高性能柔性纳米压电器件奠定基础，同时也为一维纳米压电学提供有价值的信息和相关的深层次认识。

在电子器件微型化、纳米化的发展趋势下，一维纳米压电材料及器件的研制受到科技界的极大重视。将压电陶瓷与压电聚合物复合制成压电复合材料,可综合两种材料的优势，具有强压电性、低脆性、低密度和低介电常数等优点,是智能材料系统与结构中很有前途的压电材料。因此，本项目提出以聚偏氟乙烯（PVDF）与压电陶瓷（PZT或BT）超细纳米粉体为材料，采用定向静电纺丝方法研制准1-3型陶瓷-PVDF复合纳米纤维及有序纤维阵列，将纤维组装成压电传感原型器件。通过对单根、阵列纤维结构的表征和介电、压电特性（压电应变常数、机电耦合系数、机械品质因数）等的测量，研究压电陶瓷和准1-3型复合纳米结构对PVDF晶型及纤维压电性能的影响规律，从微观（单根纤维）到宏观（纤维阵列），分析电纺过程和一维纳米结构对复合材料压电性能的影响。.项目按计划开展，提出"近场滚轮法"，得到高β晶型含量的高取向PVDF复合电纺纤维。将收集到的电纺纤维膜的上下表面各覆盖一层导电纤维布（也可用铜箔或银箔），在上下表面引出导线，再用带透气孔的透明胶带加上一层保护层，组装成初步的压电传感原型器件。该纳米纤维压电器件具备柔性、透气性的特点，且压电响应灵敏，振动衰减测试显示所研制的压电器件输出电压可达2.76V。将压电纤维器件附着在悬臂梁上，在相同频率振动条件下，测试压电纤维膜串联和并联的电压输出。测试结果显示，串联时电压输出较单个纤维膜相比基本一致；并联时在一定频率输出可以达到单个纤维膜时的二倍。另外，项目根据呼吸信号和脉搏信号各自的特点，分别设计了“双面弓”和“薄壳”的弹性结构，将其作为PVDF压电薄膜的传感器基底，研制了灵敏度高、信号稳定的呼吸和脉搏传感器。.本项目为研制高压电性能纳米复合材料探索出一条简单、有效的新途径，并为进一步制备高性能柔性纳米压电器件奠定基础，同时也为一维纳米压电学提供了有价值的信息和相关的深层次认识。