DOI: 10.1002/mame.202000162
聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）的壓電和鐵電納米纖維已廣泛應用于應變和壓力傳感器以及用于能量收集的納米發電機中。盡管有這方面的興趣，但機電能量轉換機制仍存在爭議，深入了解納米纖維的壓電或靜電特性對于優化換能效率至關重要。本研究在不同靜電紡絲條件下制備了聚偏氟乙烯-三氟乙烯納米纖維。通過壓電和靜電力顯微鏡對單個納米纖維進行微觀分析，比較了纖維膜的宏觀機電響應。結果表明，靜電紡絲有利于聚合物中壓電β相的形成，并直接導致其壓電性能與退火薄膜相當。然而，在靜電紡絲過程中，電場強度不足以引起直接鐵電疇極化。相反，在聚合物中觀察到摩擦電表面電荷和捕獲的空間電荷的積累，這解釋了駐極體的宏觀機電響應。
圖1.電紡PVDF-TrFE納米纖維膜的結構和機電特性：a）SEM圖像顯示膜中隨機取向的納米纖維。b）具有明顯峰的XRD光譜為鐵電PVDF-TrFEβ相，PVDF膜作為對照。為了清楚起見，將PVDF-TrFE光譜向上移動。c）機電表征裝備。d）薄膜和靜電紡纖維膜在循環壓縮下的電壓響應。
圖2.靜電紡PVDF-TrFE纖維的壓電力顯微鏡（PFM）圖像。a）在+140 V和-140 V下極化后，將纖維的表面高度、PFM振幅和PFM相位圖應用到基材上，其尖端位置如高度圖所示。測量表明，通過靜電紡絲沉積的纖維未極化。b）通過PFM切換光譜測量不同直徑纖維和薄膜的極化磁滯曲線。顯示壓電振蕩的幅度和相位。磁滯回線顯示由尖端感應電場引起的極化切換。
圖3.纖維直徑對壓電和鐵電性能的影響：a）矯頑力與纖維直徑的關系。b）壓電系數d33與纖維直徑的函數關系。比較包括在不同厚度PVDF-TrFE薄膜上獲得的值（紅色）。直線表示對數據的線性擬合。
圖4.掃描開爾文探針顯微鏡以測定納米纖維帶電：a，b）沉積在金上的納米纖維的高度和表面電勢（VSP）圖像；c）在納米纖維和薄膜上測得的平均VSP和VSP的標準偏差隨沉積時間的變化而變化；d）對于靜電紡絲后不久（黑色）或儲存150天（藍色）后表征的樣品，VSP隨纖維直徑變化。線表示對數據的線性擬合。
圖5.壓電和鐵電納米纖維的機電能量轉換。a）該方案顯示導致纖維中電荷的不同機制，例如i）摩擦電表面電荷的積累，ii）由于靜電紡絲或iii）鐵電疇極化而在體積中存在捕獲的電荷。b）該方案顯示如何將力F轉換為宏觀位移電流，這是由于i）導致電極中位移電流的靜電相互作用或ii）直接壓電效應。在此，研究者認為前一種機制與電紡PVDF-TrFE基納米纖維換能器最具相關性。
