众所周知，聚偏氟乙烯（PVDF）是一种压电聚合物，但β相含量低阻碍了其广泛应用。

近期，上海应用技术大学柯勤飞教授、杜永教授和中国科学院工程热物理研究所张挺研究员等人采用静电纺丝技术制备了PVDF/SiC、PVDF/FeCl₃和PVDF/SiC/FeCl₃复合纳米纤维膜。其中，PVDF/SiC/FeCl₃复合纳米纤维基压电纳米发电机（PENG）表现出最佳的输出性能。这种增强主要是由于在PVDF基体中加入SiC和FeCl₃的协同作用，显著增加了PVDF的β相含量，从而增强了PENG的压电性能。由PVDF/SiC/FeCl₃复合膜组成的柔性PENG阵列有望用于步态监测智能袜，尤其是实现对学龄前儿童的早期矫正。这项创新预计将对体育、医疗监测和其他相关领域产生重大影响。

图1.（a）分别通过静电纺丝技术制备纯PVDF、PVDF/SiC、PVDF/FeCl₃和PVDF/SiC/FeCl₃纳米纤维的示意图。（b）四种不同类型纳米纤维的SEM图像。

图2.（a）静电纺丝实现α相到β相转变的示意图。（b-c）PENG的结构和工作机制示意图。（d）基于不同含量PVDF/SiC纳米纤维的PENG的输出电压和（e）电流。（f）纯PVDF和PVDF/SiC复合纳米纤维的XRD光谱。

图3.（a）基于不同含量PVDF/FeCl3纳米纤维的PENG的输出电压和（b）电流。（c）PVDF和PVDF/FeCl₃复合纳米纤维的XRD图谱。（d）基于不同PVDF/SiC/FeC_l3纳米纤维的PENG的输出电压和（e）电流。条形图分别显示了基于纯PVDF、PVDF/SiC、PVDF/FeCl₃和PVDF/SiC/FeCl3纳米纤维的PENGs的峰值（f）电流和（g）输出电压的绝对值。（h）四种纳米纤维的XRD光谱和介电常数曲线。（i）当连接到用柔性PENG充电20秒以上的各种电容器（4.7、10和22nF）时测量的电压。

图4.（a）PVDF/SiC/FeCl3纳米纤维的偶极表面电荷相互作用模型。（b）PVDF/SiC/FeCl3纳米纤维在外力作用下的电荷诱导过程示意图。

图5.（a）弯曲角度增加时PENG的电信号输出。（b）轻拍和（c）扭转柔性PENG产生的电流。（d）柔性PENG在轻拍和扭转变形下的测试照片。（e-f）柔性PENG在80%相对湿度下的循环稳定性测试，以及初始、2500次循环和5000次循环前后的详细电流-时间曲线。

图6.（a）与独立PENG集成的自供电袜子示意图。（i）柔性自供电袜子的照片。（ii）行走、跑步和跳跃产生的电压。（b）（i-ii）趾朝内和趾朝外步行的电压与步态分布。

该工作以“Flexible PVDF/SiC/FeCl₃ nanofiber membrane generators with synergistically enhanced piezoelectricity”为题发表在《Nano Energy》（DOI:10.1016/j.nanoen.2024.109290）上。

论文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2024.109290