復旦朱國棟教授、同濟張曉青教授團隊Adv. Fiber Mater.：用于聲學檢測和識別的波浪形壓電納米纖維傳感器
隨著物聯網和可穿戴電子器件的快速發展，如何方便快捷地為傳感器供電仍然是一個巨大的挑戰。采用能量收集策略來收集環境能量并將其轉換為電能是一種有效的方式，其中，壓電聚合物被用作柔性收集器來轉換機械能。然而，相對較低的壓電性能限制了它們在弱機械激勵檢測和轉換中的應用。近期，復旦大學朱國棟教授團隊聯合同濟大學張曉青教授及姜在秀博士在Adv. Fiber Mater.上發表了題為 "Wave-Shaped Piezoelectric Nanofiber Membrane Nanogenerator for Acoustic Detection and Recognition" 的文章。結合電紡及模壓工藝制備波浪形PVDF納米纖維傳感器，這種波浪形器件實現了比平面器件更好的縱向和橫向壓電性能，可應用于可聽聲的檢測和識別。所研制器件的頻率分辨率優于0.1Hz，可用來分析各類可聽聲源的頻譜。
靜電紡絲是一種高效制造大面積壓電聚合物纖維膜的技術，整個靜電紡絲系統如圖1a所示。在圖1b中顯示了PVDF納米纖維膜的實物圖，其纖維直徑約為200nm（圖1c）；XRD分析進一步證實纖維中形成了電活性β相（圖1d），其特征衍射峰出現在2θ=20.42°。
圖1 波浪形PVDF納米纖維膜的制備流程
進一步采用模壓工藝使電紡制備的納米纖維膜形成波浪形結構，三種波形PVDF膜的SEM圖像如圖2所示，模壓處理導致薄膜密度增大，機械拉伸分析（圖2i）顯示，波浪形PVDF膜的斷裂強度和斷裂伸長率均低于平面膜的數值。然而，在低應變區波浪形膜具有極低的表觀彈性模量，意味著其適用于微弱機械信號探測。
圖2 平面和波浪形納米膜的SEM和機械拉伸分析
波浪形器件用于聲學檢測，圖3a顯示了聲學檢測系統配置，在圖3b中繪制了器件開路電壓Voc對聲激勵(100Hz, SPL110dB)的響應，圖3c和3d顯示了器件開路電壓隨聲激勵頻率的改變，器件為自支撐結構，低頻下存在機械共振，因而當激勵頻率高于200Hz時器件響應衰減。圖3e顯示器件開路電壓隨聲壓級的增加而增加。
圖3 平面膜和波浪形膜的聲學檢測
頻譜分析是聲傳感器的一項基本功能。研究中將兩個單頻信號混合后經由揚聲器發出，典型的器件開路電壓響應如圖4a、4b所示，圖中所標數字為頻率值，曲線相應的FFT頻譜分析繪制在圖4c中。FFT譜可以精確區分小至0.1Hz的頻率差(100Hz/100.1Hz)。
圖4 波浪形納米纖維膜的頻率分辨能力分析
在此基礎上，對七種動物聲音（虎、狗、狼、公雞、貓、鴨、鷹）進行了探測和FFT頻率分析(圖5)，結果顯示這種 “聲音指紋” 是一種很有前景的動物識別方法。
圖5 動物聲音的頻譜分析
復旦大學博士研究生許凡為本文第一作者，復旦大學朱國棟教授、同濟大學張曉青教授及姜在秀博士為論文共同通信作者。
課題組簡介
朱國棟，教授/博導，復旦大學科學系。主要研究方向包括：1) 鐵電/壓電聚合物及其應用，含電性能表征及增強，鐵電存儲，壓電傳感，微能量收集；2) 有機半導體及傳感器件，含有機晶體管、接近傳感等。
張曉青，教授/博導，同濟大學物理科學與工程學院。主要研究方向包括電活性柔性電介質材料；柔性輕量化可穿戴傳感器；空氣耦合超聲換能器；微能源采集。
原文信息
Fan Xu,?Jiang Yang, Ruizhi Dong, Hanxiao Jiang, Conghuan Wang, Weilin Liu, Zaixiu Jiang*, Xiaoqing Zhang*, Guodong Zhu*,Wave?Shaped Piezoelectric Nanofiber Membrane Nanogenerator for Acoustic Detection and Recognition.?Adv. Fiber Mater.,?2021.
https://doi.org/10.1007/s42765-021-00095-7
期刊介紹
Advanced Fiber Materials由纖維材料改性國家重點實驗室（東華大學）發起，東華大學和中國材料研究學會共同主辦，Springer Nature出版發行，發表論文類型包括原創研究、綜述文章、前瞻性快報、觀點、新聞和亮點。纖維材料改性國家重點實驗室主任、材料科學與工程學院院長朱美芳院士擔任期刊主編，期刊編委團隊由19位國內外院士和32位全球頂尖科學家和各領域的優秀學者專家組成。期刊自2019年正式創刊以來，已經出版15期，共發表103篇文章，得到了來自編委團隊、專家學者、作者以及讀者的大力支持。Advanced Fiber Materials已于2021年5月正式被ESCI收錄，發表論文全部上線SCI數據庫。2021年6月，Advanced Fiber Materials入選 “高質量科技期刊分級目錄——材料科學-綜合類” T2區期刊；9月，入選“中國科技期刊卓越行動計劃高起點新刊”！
Advanced Fiber Materials填補了國內外高水平變革性纖維前沿期刊的空白，對于推進學科建設實力，提升學科美譽度和影響力具有重要意義。同時也為中國的纖維領域優秀科技成果更好地走向世界搭建橋梁，為全國乃至世界的纖維領域發展提供更加強勁的人才和科技支撐。
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