从外部机械和振动运动中产生电能的压电能量转换是一个很有前途的能量收集技术，因为它比其他可再生能源更容易利用。特别是柔性可伸缩的压电能量收集器，它能将人体内很小的生物机械运动转化为电能，既可应用于柔性，可穿戴电子设备的自供电系统，又可用于运动探测器的敏感压电传感器和体内诊断包。自从2006年提出给予压电氧化锌纳米线（NWs）的纳米发电机以来，许多研究人员尝试使用纳米线，压电材料生长，静电纺丝和转移技术利用包括聚偏氟乙烯（PVDF）聚合物和钙钛矿陶瓷来实现纳米发电机。2012年，基于复合材料的纳米发电机被开发出来，利用简单，低耗和可扩展的方法来克服以前报告过的纳米发电机的重大问题，例如输出性能不足和大小限制。自此NCG装置不仅可以用来作为有前途的能源收集器，通过自然和人类的轻微运动产生电力，而且还可以作为敏感的传感器，在广泛的物理和生物领域监测微弱的力量或运动。聚偏氟乙烯（PVDF）性能优于传统的压电材料，具有柔软、质轻、频响宽、耐冲击的特点，成为了新兴柔性传感器的研究热点。静电纺丝技术操作简单、成本低，优于传统制备方法，是制备柔性可穿戴设备的理想方法，故而基于PVDF薄膜的柔性自供电传感器作为其中一种适合我们研究。本课题主要研究如何用静电纺丝技术制备出PVDF纤维膜，并对其性能进行研究。
- 选题背景和意义：
- 课题关键问题及难点：
- 如何实现用静电纺丝技术制造出PVDF薄膜
- 怎样评估制造出的PVDF薄膜的性能
- 通过怎样的实验方法来收集数据
- 制造出基本的PVDF后是否可以改变其结构的方式提高其性能，以及是否有其他方法
- 与压电陶瓷，超长拉伸复合材料制成的传感器相比，基于PVDF传感器的各方面性能如何
- 文献综述（或调研报告）：
纳米发电机的柔性能量收集器不仅能从机械能中产生电能，还能从微小的生物机械能（心跳，肌肉运动，眨眼）中产生电能，因其能响应操作灵活和可穿戴的自供电电子系统的无限需求而备受关注。随着人们生活水平的提高，柔性可穿戴器件越来越受到人们的关注，具有某种特种性能的聚合物可以作用于制备柔性器件，如聚偏氟乙烯（PVDF），具备了某种程度的传感功能，能够感知应力、应变、光、热、电等的强度变化和分布规律等外部环境条件的变化；或者感知脉搏、呼吸和人体不同部位运动特征等内部环境条件的变化[1,2]。近年来，PVDF因其优异的性质，引起很多研究者的兴趣，PVDF薄膜可以用作压电传感器、纳米压电发电机、电池隔膜等[3-6]。
在传感器和致动器领域中，压电材料是我们现今应用最普遍的材料之一。现已经商业化的压电材料是压电陶瓷，压电性能很好，但其质脆易损，难以形成柔性膜，满足不了当代社会对智能化纺织品柔性可穿戴的要求[7-9]。因此需要寻找一种柔性、压电性能良好的材料，而压电聚合物具有柔性易成型的特点，满足这些要求，适用当代人们对生活舒适度的要求。聚偏氟乙烯（PVDF）具有灵敏度高、频率范围宽等优点，成为了一种被广泛研究与应用的柔性智能传感器材料[10]。聚偏氟乙烯容易成膜，成膜后柔软性、力学性能较好，可以制成任意尺寸，任意形状的物品，满足多种场合、多种用途的需要。例如可以制成压电传感器，佩戴到手腕、衣服足底等部位，检测人体的脉搏、心跳、走路频率等，然后与特定的数据采集设备相连，分析监测人体的健康状况[11,12]；还可以制成纳米发电机，植入到衣服的肘部、膝盖、足底等部位[13-15]，通过弯曲、拉伸、扭转、跳动等复杂的机械运动产生响应，输出电能，然后再通过电力发热装置，实现自发热服装设计，适用于南极等寒冷地区科学考察的要求。
PVDF纤维膜具有的独特性能，成了人们研究的热点。传统的制备聚偏氟乙烯薄膜的方法是溶液流延法、浇铸法等，然后再通过拉伸、极化处理等工艺提高薄膜的压电性能[16-19]。但是这种方法制备的薄膜压电性能低，工艺繁多、工序复杂。现在人们在探索一种新的薄膜制备技术——静电纺丝技术，用于制备更薄，力学性能、柔韧性及压电性能更好的纳米纤维膜。静电纺丝技术是目前能够制备直径到达微纳米级的连续纤维的新型技术，采用不同的收集装置可以制备纤维膜、纤维丝、三维结构等[20-23]。该种方法可以用于多种聚合物、有机-无机材料等的制备，操作简单、易学。但是其消耗时间长，产率低，目前仅限于实验室使用，还不能够产业化。
本次课题旨在用静电纺丝技术制备聚偏氟乙烯（PVDF）纤维膜，并对其进行表征和性能测试，分析总结纤维膜的性能变化影响。选择合适的纺丝工艺参数和采用滚筒收集装置制备纤维膜。
参考文献：
[1] 孟仁俊. PVDF 压电薄膜传感器的研制[D]. 上海：东华大学, 2008.
[2] Bar-Cohen Y, Zhang Q. Electroactive polymer actuators and sensors [J]. MRS Bulletin, 2008, 33(3):173-181.
[3] 张丽宏，汪炜，高强. PVDF 传感器在液体压力激波测试中的应用[J]. 压电与声光, 2009, 31(4):500-503.
[4] Z. H. Liu, C. T. Pan, L. W. Lin, et al. Piezoelectric of PVDF/MWCNT nanofiber using near-fieldelectrospinning [J]. Sensors and Actuators, 2013, 193(8):13-24.
