DOI:10.1016/j.nanoen.2020.104966
由于二維器件在實際應用中存在易損壞、不透氣等局限性，柔性纖維電子器件以其獨特的可縫合功能，縮小了該類器件與可穿戴應用之間的差距，受到了越來越多的關注。在此，本文介紹了一種簡單的策略，通過將聚偏氟乙烯-三氟乙烯（P（VDF-TrFE））直接電紡到柔性導線上來制備具有新型芯-鞘結構的壓電微纖維。可以精確控制P（VDF-TrFE）功能層的纖維直徑和厚度。具體來說，這種可縫合纖維在正壓縮下表現出60.82 mV/N的高靈敏度和15000次循環的優異耐久性。采用有限元法結合實際實驗，通過COMSOL軟件分析了壓電纖維在正壓縮和彎曲兩種模式下的應力和電場分布。柔性可縫合纖維可以承受各種復雜甚至嚴重的變形，例如彎曲和打結，這使其自身可以織成紡織品，并在受到外部變形時進一步產生動力和響應，這對于期望透氣舒適的便攜式可穿戴電子產品而言非常重要。這項工作還為柔性可穿戴電子設備提供了一種通用且有效的解決方案。
圖1.（a）P（VDF-TrFE）基芯-鞘結構智能纖維的制備過程。（b）和（c）Cu/P（VDF-TrFE）纖維在不同放大倍率下的SEM圖像的頂視圖以及（d）橫截面SEM圖像。（e）結形結構的柔性Cu/P（VDF-TrFE）纖維的SEM圖像。（f）P（VDF-TrFE）粉末和電紡纖維的XRD圖譜。（g）靜電紡P（VDF-TrFE）纖維的FTIR光譜。
圖2.（a-c）裸銅纖維電極和芯直徑分別為200μm、300μm和500μm的Cu/P（VDF-TrFE）復合纖維的SEM圖像。（d）在靜電紡絲之前和之后的復合纖維直徑以及具有不同芯直徑的壓電層厚度的統計數據。（e）不同直徑的智能纖維的輸出電壓隨壓縮力而變化。（f）具有不同電紡時間的Cu/P（VDF-TrFE）纖維的SEM圖像。（g）在靜電紡絲之前和之后的直徑和在不同靜電紡絲時間下的壓電層的厚度的統計數據。（h）具有壓電厚度的智能纖維的輸出電壓隨電紡時間的變化而變化。所有測試實驗均在有效纖維長度為24 mm，頻率為5 Hz的條件下進行。
圖3.（a）受到正壓縮的智能纖維的結構模型。壓縮過程中總位移（b）、應力分布（c）和電勢（d）的模擬結果。在不同的芯電極直徑（e）和不同的P（VDF-TrFE）層厚度（f）的條件下，針對壓縮的開路電壓輸出模擬結果。
圖4.（a）受到正向壓縮的智能纖維的示意圖。（b）具有反向連接的智能纖維的電壓測量。（c）智能纖維的輸出電壓取決于5 N和5 Hz下有效長度的增加，芯直徑：500μm，電紡時間：20分鐘。智能纖維在5 Hz、0.5 N至14 N范圍內的不同力下的開路電壓（d）及其依賴性曲線（e）。（h）智能纖維的響應和釋放時間。（i）智能纖維在5 N和5 Hz下經過15000個循環的耐久性測試。
圖5.（a）受到彎曲變形的智能纖維的示意圖。（b）彎曲變形后應力分布的模擬結果。（c）彎曲變形時的電位模擬結果及其放大圖（d）。（e）在20％彎曲水平下針對彎曲變形的開路電壓輸出的模擬結果。（f）隨著彎曲水平從2％增加至20％，智能纖維的輸出電壓依賴性曲線。
圖6.（a）集成在紡織品中的智能纖維的照片。腕部、腳部、肘部和膝蓋上穿戴的智能纖維紡織品的照片（b）以及腕部在高頻和低頻運動（c）、步行（d）、肘部彎曲（e）和膝蓋彎曲（f）時產生的輸出電壓。示意圖顯示了智能纖維紡織品的四種基本激勵模式（g）和相應的直接測量的電信號（h）。
