引言

高性能可穿戴传感器是当前的研究热点，而压电复合材料因其能将机械能转化为电能的特性，在此领域展现出巨大潜力。然而，开发这类传感器面临两大挑战：一是材料间的协同作用不够理想，尤其是压电增强材料（如陶瓷）与柔性基底材料（如聚合物）难以有效结合；二是传感信号的稳定性有待提高。传统的压电可穿戴传感器常使用陶瓷/聚合物复合材料。陶瓷材料压电性能好但硬脆，而聚合物柔软但压电性能较低。因此，如何制备柔性好、灵敏度又高的陶瓷/聚合物复合材料一直是研究重点。

聚偏二氟乙烯 (PVDF) 是一种常用的压电聚合物，其特定的晶体结构（特别是β相）是实现良好压电性能的关键。通过静电纺丝技术可以有效促进PVDF中β相的形成。为了进一步提升性能，通常会向PVDF中掺杂无机陶瓷，其中钛酸钡(BaTiO₃, BT) 是一种环保且具有较高压电性能的常用掺杂剂。

然而，将BT引入PVDF复合材料中存在困难，主要是因为BT颗粒与PVDF之间的界面结合力弱，且BT颗粒容易团聚分散不均。这些问题会严重影响复合材料的电学和力学性能，限制了压电输出的提升潜力。此外，材料内部的孔隙等缺陷可能导致信号不稳定。传统的静电纺丝方法也可能导致电荷耗散，削弱了材料间的有效结合。因此，优化压电增强相与聚合物基底的结合是提升复合材料性能的关键。尽管已经有很多关于压电复合材料和静电纺丝的研究，但专门针对PVDF-BT复合材料的“湿法静电纺丝”技术，此前尚未得到探索。

广东工业大学林雄威团队联合澳大利亚迪肯大学Ye Fan教授，在《Nature》子刊《Scientific  Reports》发表最新研究成果！通过湿法静电纺丝技术，成功制备出BaTiO₃/PVDF（BT/PVDF）复合压电纤维，其输出电压较纯PVDF提升近3倍（0.88 V），并展现出超强线性响应（R²=0.996）。

创新亮点

1. 采用湿法静电纺丝技术

传统痛点：传统静电纺丝中BaTiO₃易团聚，界面结合差，导致压电性能受限。

解决方案：采用水介质收集器（湿法纺丝），通过非溶剂诱导相分离（NIPS）效应，实现：

▪ BT纳米颗粒均匀分散（0.5-1.5 wt%低掺杂量）

▪ PVDF β相含量提升（FTIR证实β相特征峰增强）

▪ 界面晶格畸变（TEM显示晶面间距变化6-38%，极化矢量增强）

2. 性能高于传统材料

3. 机理深度解析

晶格畸变主导：XRD/TEM证实BT与PVDF界面发生显著晶格变形，形成强偶极矩，提升本征压电效应。

β相协同作用：FTIR计算显示β相含量增加，但性能提升主要归因于界面工程而非单纯β相增量。

图文解析

图1：湿法静电纺丝制备BT/PVDF复合纤维的流程示意图及泰勒锥形成原理

图2：不同BT含量（0-1.5 wt%）的PVDF纤维SEM形貌及直径分布，显示BT均匀分散与纤维直径随含量增加

图3：XRD与FTIR分析表明BT掺杂诱导PVDF β相生成，TEM证实界面晶格畸变（间距变化6-38%）

图4：压电器件结构设计及工作原理图，展示机械能-电能转换机制

图5：1.5 wt% BT/PVDF器件性能（输出电压0.88 V，线性度R²=0.996）及压电系数d33随BT含量提升

总结与建议

总之，本研究成功地利用湿法静电纺丝工艺制备了 BT/PVDF 复合纤维，该纤维表现出增强的传感能力。论文分析表明，湿法纺丝工艺不仅保留了传统技术对β相增强的优势，而且显著改善了有机和无机组分之间的界面相互作用。这种增强进一步提升了材料的压电性能。

该研究强调了界面工程在增强压电性能中的关键作用，并通过湿法静电纺丝结合水收集器的方法提供了新颖的优化策略。与以往侧重于最大化β相含量的研究不同，本研究发现在低填充浓度下，界面晶格畸变对性能提升的影响更为显著。

这种方法作为一种环境友好的复合材料制造方法，在生产大规模、成本效益高的医疗和可穿戴系统方面具有巨大的应用前景。未来的研究可以进一步探索更高 BT 填充浓度下的湿法静电纺丝工艺优化，以平衡团聚问题和界面增强效应。此外，深入研究界面晶格畸变与其他因素（如填料分散性、β相含量、纤维取向等）对压电性能的协同作用，有助于更全面地理解和优化这类复合材料的性能。同时，拓展这种湿法静电纺丝技术在其他压电复合材料体系中的应用，以及针对特定可穿戴传感应用（如脉搏监测、运动捕捉等）进行器件设计和集成优化，也将是重要的研究方向。

文章来源：https://www.nature.com/articles/s41598-025-96516-3