聚偏二氟乙烯(PVDF)压电纳米发电机(PENG)由于其优异的柔韧性、低的杨氏模量、易于加工和大规模生产特性而具有商业前景。迄今为止，基于PVDF的商用压电传感器主要用于军事领域的声纳、民用领域的防盗警报、气体压力传感器、胎儿心音检测器和手指脉搏计等。对于PVDF静电纺丝纤维膜PENG，通常认为它们产生的电信号仅源于压电效应，但事实上，该信号是由PVDF压电发电和丝与丝之间的摩擦发电共同贡献产生的。目前针对此类纤维纳米发电机缺少摩擦电和压电输出贡献的量化研究，缺乏对信号来源的认识，这限制了该类纳米发电机的进一步性能优化。

针对以上问题，金沙4399js网站-(西安)有限公司材料科学与工程学院硕士研究生王胜迁在佟望舒副教授、张以河教授和安琪教授的共同指导下，添加羟基磷灰石(HAP)到聚偏二氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)纤维中，通过增加HAP和PVDF-HFP之间的摩擦提升发电性能，之后通过加热熔融的方法调控纤维形态，区分压电发电和摩擦发电信号，揭示了HAP/PVDF-HFP纤维纳米发电机中压电和摩擦电的各自贡献，为该类纤维纳米发电机进一步优化设计提供启示。这项工作的创新之处如下：

（1）羟基磷灰石增强发电性能

羟基磷灰石添加到PVDF-HFP中的含量分别为 0、10、20、25和30 wt%，当含量为25 wt%时，发电开路电压比起纯PVDF-HFP纤维纳米发电机提升约5倍。通过表征发现具有不同HAP含量的HAP/PVDF-HFP纤维膜中压电相相对含量和结晶度几乎相同，同时通过PFM和d₃₃测试证明压电发电性能未明显改善，因此认为HAP的添加主要增强了HAP与PVDF-HFP在丝与丝间的摩擦发电，如图1所示。

（2）量化压电和摩擦发电的各自贡献

为进一步证实上述观点，在添加25 wt%填料的最佳含量下，通过加热熔融的方法，对丝状薄膜进行纤维形态调控。150 ℃处理后的复合薄膜形成无纤维结构消除了丝与丝之间的摩擦发电，同时通过压电相含量、结晶度和d₃₃的测试证实了在不同处理温度下的复合薄膜具有相同压电性能，得到压电贡献的开路电压值为0.4 V，在此基础上进一步量化了25 wt% HAP/PVDF-HFP纤维薄膜中摩擦电的贡献，因此摩擦和压电对开路电压值的贡献分别为62.5%和37.5%，如图2所示。

图1 PVDF-HFP和HAP/PVDF-HFP纳米纤维膜的(a) FTIR光谱, (b) β相的相对含量和(c) XRD图谱; (d) 试样结构示意图; (e) PVDF-HFP和HAP/PVDF-HFP纳米纤维膜的开路电压; (f)相邻纤维的接触分离示意图

图2 热处理前后25 wt% HAP/PVDF-HFP纳米纤维薄膜的SEM图像. (a) 25 °C, (b) 110 °C, (c) 120 °C, (d) 130 °C, (e) 140 °C, (f) 150 °C; 热处理前后25 wt% HAP/PVDF-HFP纳米纤维薄膜的(g) β相的相对含量, (h) 开路电压; (i) 摩擦电和压电贡献比例

上述研究成果发表于材料领域国际权威期刊《Nano Energy》上：Shengqian Wang, Wangshu Tong*, Yanan Li, Panpan Zhang, Yulun Liu, Yiyuan Chen, Yihe Zhang*, Contributions of piezoelectricity and triboelectricity to a hydroxyapatite/PVDF–HFP fiber-film nanogenerator, Nano Energy (2022): 108026. [IF 2021=19.069]

全文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.108026