DOI: 10.1002/mame.202000162

聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）的压电和铁电纳米纤维已广泛应用于应变和压力传感器以及用于能量收集的纳米发电机中。尽管有这方面的兴趣，但机电能量转换机制仍存在争议，深入了解纳米纤维的压电或静电特性对于优化换能效率至关重要。本研究在不同静电纺丝条件下制备了聚偏氟乙烯-三氟乙烯纳米纤维。通过压电和静电力显微镜对单个纳米纤维进行微观分析，比较了纤维膜的宏观机电响应。结果表明，静电纺丝有利于聚合物中压电β相的形成，并直接导致其压电性能与退火薄膜相当。然而，在静电纺丝过程中，电场强度不足以引起直接铁电畴极化。相反，在聚合物中观察到摩擦电表面电荷和捕获的空间电荷的积累，这解释了驻极体的宏观机电响应。

图1.电纺PVDF-TrFE纳米纤维膜的结构和机电特性：a）SEM图像显示膜中随机取向的纳米纤维。b）具有明显峰的XRD光谱为铁电PVDF-TrFEβ相，PVDF膜作为对照。为了清楚起见，将PVDF-TrFE光谱向上移动。c）机电表征装备。d）薄膜和静电纺纤维膜在循环压缩下的电压响应。

图2.静电纺PVDF-TrFE纤维的压电力显微镜（PFM）图像。a）在+140 V和-140 V下极化后，将纤维的表面高度、PFM振幅和PFM相位图应用到基材上，其尖端位置如高度图所示。测量表明，通过静电纺丝沉积的纤维未极化。b）通过PFM切换光谱测量不同直径纤维和薄膜的极化磁滞曲线。显示压电振荡的幅度和相位。磁滞回线显示由尖端感应电场引起的极化切换。

图3.纤维直径对压电和铁电性能的影响：a）矫顽力与纤维直径的关系。b）压电系数d33与纤维直径的函数关系。比较包括在不同厚度PVDF-TrFE薄膜上获得的值（红色）。直线表示对数据的线性拟合。

图4.扫描开尔文探针显微镜以测定纳米纤维带电：a，b）沉积在金上的纳米纤维的高度和表面电势（VSP）图像；c）在纳米纤维和薄膜上测得的平均VSP和VSP的标准偏差随沉积时间的变化而变化；d）对于静电纺丝后不久（黑色）或储存150天（蓝色）后表征的样品，VSP随纤维直径变化。线表示对数据的线性拟合。

图5.压电和铁电纳米纤维的机电能量转换。a）该方案显示导致纤维中电荷的不同机制，例如i）摩擦电表面电荷的积累，ii）由于静电纺丝或iii）铁电畴极化而在体积中存在捕获的电荷。b）该方案显示如何将力F转换为宏观位移电流，这是由于i）导致电极中位移电流的静电相互作用或ii）直接压电效应。在此，研究者认为前一种机制与电纺PVDF-TrFE基纳米纤维换能器最具相关性。