DOI: 10.1016/j.compositesa.2023.107518

本研究通过取向静电纺丝制备了PLLA/ZnO取向纤维用于压电发电机，省略了极化和拉伸后处理。复合纤维实现了宏观取向和分子排列，以及比PLLA更高的结晶度和更多的极性相。总体而言，所产生的发电机在1000s内表现出显著且稳定的压电信号，将开路电压提高到7.9V，比随机纯器件的开路电压高出近4.6倍。在相同的变化趋势下，模拟结果证实了取向纤维形成和ZnO诱导的应力集中，这赋予了发电机更好的压电性。此外，短路电流为286nA、输出功率密度为1.25mW/cm³的发电机产生的电能在210s时可将10μF电容器充电至2V，然后点亮LED。令人鼓舞的是，高柔性和灵敏度使该设备能够作为一种可穿戴自供电传感器，用于区分人体运动和监测人体健康。

图1.（a）电纺OPLLA/ZnO纤维基压电发电机的制造工艺示意图。（b）RPLLA、（c）OPLLA、（d）OPLLA/5ZnO、（e）OPLLA/10ZnO和（f）OPLLA/15ZnO纤维的FESEM图像。（g）来自相应FESEM图像（e）中所选区域的Zn元素的EDS映射。

图2.（a）RPLLA、（b）OPLLA和（c）OPLLA/20ZnO纤维在1800-1700cm-1范围内的放大偏振FTIR光谱。（d）OPLLA和OPLLA/ZnO纤维在540-480cm-1范围内的放大FTIR光谱。（e）RPLLA、（f）OPLLA和（g）OPLLA/10ZnO纤维的2D WAXD图像。（h）RPLLA、OPLLA和OPLLA/10ZnO纤维的（200/110）衍射的方位角强度分布。（i）RPLLA、OPLLA和OPLLA/10ZnO纤维的（200/110）平面的取向度图。

图3.（a）RPLLA、OPLLA和OPLLA/ZnO发电机的开路电压和（b）短路电流。（c）在1000s期间，通过记录开路电压与时间的关系来测量OPLLA/10ZnO发电机的耐久性。（d）下图：OPLLA/10ZnO发电机的整流电压（插图：全桥整流电路的示意图）。上图：由OPLLA/10ZnO发电机对10μF电容器进行充电的充电曲线（插图右：包含电容器的全桥整流电路的示意图，插图左：已充电电容器点亮一个LED的数码照片）。与OPLLA/10ZnO发电机相连时，（e）电压和电流输出以及（f）瞬时输出功率密度与外部负载电阻的函数关系。（g）不同静电纺丝时间和（h）不同冲击力下OPLLA/10ZnO发电机的开路电压。（i-l）OPLLA/10ZnO发电机作为一种可穿戴自供电传感器在人体运动中的传感应用：（i）对行走和跑步的响应，（j）对手腕脉搏的响应，（k）对手指弯曲和放松的响应，以及（l）对声带振动的响应。

图4.（a）Y-Z平面上随机模型的压电势分布、（b）变形分布和（c）应力分布。（d）Y-Z平面上定向模型的压电势分布、（e）变形分布和（f）应力分布。纯模型（g）在放大视野中和（h）在Y-Z平面上的压电势分布。（i）Y-Z平面上纯模型的能量密度分布。复合模型（j）在放大视野中和（k）在Y-Z平面上的压电势分布。（l）Y-Z平面上复合模型的能量密度分布。