​从环境中获取能源受到越来越多的关注，压电材料因其可将机械应力转化为电压而成为有力候选。压电陶瓷（如PZT）虽性能优异，但存在脆性大、弹性模量高、有毒性等缺点，限制了其应用。而压电聚合物（如PVDF）具有设计灵活、低密度、易于加工、柔韧性好等优点，但压电性能稍逊。因此，将压电陶瓷和聚合物结合制成复合材料，可兼具二者优点，展现出更优越的性能。

纤维状压电装置因其柔韧性、轻量化、高长径比和简单制造工艺等独特优势，成为一种创新的柔性、可穿戴平台，可用于传感器、执行器等，测量或产生压力、振动或声音。多种纤维制造方法中，电纺丝技术因其简单、成本低且能制造出具有高孔隙率、高比表面积及优良性能的纤维而备受关注。电纺丝过程中，高电压使溶液形成泰勒锥，带电射流在静电作用下拉伸变细并沉积，同时实现纳米纤维的极化和原位压电性能产生，无需额外极化。

一：主要研究内容

本研究旨在通过两种电纺技术制备无铅的PVDF-BaTiO₃+ZnO和PVDF-BaTiO₃/PVDF-ZnO电纺纳米纤维，以通过掺入ZnO纳米颗粒和PVDF-ZnO纳米纤维来增强PVDF-BaTiO₃纳米纤维的压电性能。

（1）纳米纤维制备及表征方法

采用电纺技术制备了 PVDF - BaTiO₃+ZnO（PBZ1）单向纳米纤维和 PVDF - BaTiO₃/PVDF - ZnO（PBZ2）双向纳米纤维，同时制备了 PVDF、PVDF - BaTiO₃（PB）和 PVDF - ZnO（PZ）纳米纤维作为参考样本。使用场发射扫描电子显微镜（FE - SEM）观察纳米纤维的形态、尺寸，用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析 β 相含量，通过施加压力测试输出电压以衡量压电性能。见图1。

图1. 纳米纤维的制备过程和压电性能测试：（a）溶液制备，（b）分散过程，（c）超声波浴，（d）PVDF、PB 和/或 PZ 纳米纤维的电纺丝，（e）PBZ1 纳米纤维的单向电纺丝，（f）PBZ2 纳米纤维的双向电纺丝，（g）纳米纤维的真实图像，（h）压电测试仪装置设置，（i）纳米纤维能量收集器设计。

（2）FE - SEM 结果及分析

FE - SEM 图像显示，纳米纤维形成良好且相互交织。添加陶瓷颗粒使 PVDF 纳米纤维平均直径减小，其中 BaTiO₃和 ZnO 分别使其降低 51.35% 和 61.70%。在 PB 纳米纤维中加入 ZnO 纳米颗粒，PBZ1 和 PBZ2 纳米纤维的平均直径分别细化 22.16% 和 23.62% 。平均直径减小可能与溶液粘度、表面张力等变化有关，且较小的纤维直径有利于 β 相形成和提高压电性能，见图 2。

图2. (a) PVDF、(b) PB、(c) PZ、(d) PBZ1 和(e) PBZ2 压电纳米纤维的场发射扫描电子显微镜图像。(f)纳米纤维平均直径变化图

（3）FTIR 结果及分析

FTIR 用于测定纳米纤维中 β 相含量，通过特定公式计算 β 相相对分数。结果显示，掺入陶瓷添加剂会增加 PVDF 纳米纤维的 β 相含量。在 PB 纳米纤维中加入 ZnO 纳米颗粒，PBZ1 纳米纤维的 β 相增加 15.63%；PBZ2 纳米纤维由于 PVDF - ZnO 纳米纤维与 PVDF - BaTiO₃纳米纤维的相互作用，β 相含量比 PB 纳米纤维高出 19.89% ，见图 3、表 1。

图3. 标准化PVDF、PB、PZ、PBZ1 和 PBZ2 压电纳米纤维的 FTIR 结果

表1. 计算的压电纳米纤维β相的相对分数

（4）压电性能测试结果

通过自制设备在特定压力和频率下测试纳米纤维的压电性能，结果表明添加陶瓷添加剂可提高 PVDF 纳米纤维的输出电压。在 PB 纳米纤维中加入 ZnO 纳米颗粒（PBZ1），压电性能提高 4.45%；双向电纺的 PBZ2 纳米纤维在受到压力时，产生的电压比 PB 纳米纤维高 56.66%，见图 4、表 2。

图4. （a）样品的压电响应图和（b）基于纳米纤维平均直径的压电响应图

表2. 计算的压电纳米纤维的压电性能

二：总结

通过电纺技术制备了PVDF-BaTiO₃+ZnO单向纳米纤维和PVDF-BaTiO₃/PVDF-ZnO双向纳米纤维，以研究通过在PVDF-BaTiO₃纳米纤维中掺入ZnO纳米颗粒以及向PVDF-BaTiO₃纳米纤维中添加PVDF-ZnO纳米纤维来增强PVDF-BaTiO₃电纺纳米纤维的压电性能。

FE-SEM研究表明，ZnO纳米颗粒和PVDF-ZnO纳米纤维的存在使得PVDF-BaTiO₃纳米纤维相互交织且平均直径减小，分别为22.16%和23.62%，从而更好地形成了β相并增强了纳米纤维的压电性能。通过FTIR研究了纳米纤维的β相，结果表明在复合材料结构中存在ZnO纳米颗粒（高出15.63%）和PVDF-ZnO纳米纤维（高出19.89%）时，PVDF-BaTiO₃纳米纤维中形成了更高含量的β相。纳米纤维更细以及β相含量更高，使得它们的压电性能更好，因为通过自制设备确定了纳米纤维的压电性能。当在PVDF-BaTiO₃纳米纤维中掺入ZnO纳米颗粒时，其压电性能提高了4.45%，而向其添加PVDF-ZnO纳米纤维时，压电性能提高了56.66%。

本研究结果表明，与PVDF-BaTiO₃纳米纤维相比，PVDF-BaTiO₃+ZnO和PVDF-BaTiO₃/PVDF-ZnO纳米纤维作为压电复合材料能量收集器表现更好，使它们更适合用作能量收集装置和可穿戴电子产品。

查阅链接：https://doi.org/10.1007/s10876-025-02786-2