电纺压电聚偏二氟乙烯有序纳米纤维及其在压力传感器中的应用
PVDF压电薄膜的力学性能和压电效应实验研究
华中科技大学硕士学位论文摘要PVDF（Polyvinylidene fluoride，聚偏氟乙烯）压电薄膜作为一种新型高分子压电材料，由其制成的传感器具有灵敏度高、频带宽、声阻抗低、电压输出高和可加工成特定形状等优点，被广泛用于各个领域。
本文对镀银PVDF压电薄膜的基本力学性能，不同温度场下的振动特性和不同厚度薄膜的压电效应进行了实验研究与分析，具体研究内容及结论如下：首先，选用了厚度分别为40μm、64μm和122μm（上下表面镀银层均为6μm）的PVDF压电薄膜，利用纤维拉伸试验机对其平行分子链方向（1方向）和垂直分子链方向（2方向）分别进行拉伸力学性能测试，获得了相应的应力-应变曲线。
试验结果表明：在弹性阶段，两个方向的力学性能较为接近，但进入塑性阶段，两个方向的力学性能差异明显，表现出强烈的各向异性。
其次，制作了厚度分别为40μm、64μm和122μm的PVDF悬臂梁试样，利用非接触式振动测试系统，测试了其在不同温度场下的振动特性，并获得了其一阶固有频率。
实验结果表明：PVDF悬臂梁的一阶固有频率随着温度增加而减小，在初始升温阶段，频率值下降较为缓慢，而当温度升高到一定值时，频率值下降较快，同时，PVDF压电薄膜厚度越小，其固有频率受温度影响越大。
最后，基于非接触式振动测试系统，对PVDF压电薄膜的压电效应进行了实验研究。
三种不同厚度PVDF悬臂板压电效应实验结果表明：电压-频率曲线与幅频响应曲线具有很好的一致性，且输出电压峰值对应的激励频率与PVDF悬臂板共振频率一致，表明PVDF压电传感器输出电压与输入应变具有很好的线性关系，适宜于应变测量，且厚度较小的PVDF压电薄膜灵敏度较高。
本文对PVDF压电薄膜的基本性能进行了实验研究与分析，为PVDF压电传感器的设计与优化提供基础数据支撑，具有重要的工程应用价值。
关键词：PVDF压电薄膜；拉伸力学性能；振动特性；压电效应华中科技大学硕士学位论文AbstractAs a novel piezoelectric polymer material, the sensors made of PVDF(polyvinylidene fluoride) piezoelectric film have the advantages of high sensitivity, wide frequency band, low acoustic impedance, high voltage output, and can be processed into specific shapes,which are widely applied in various fields. In this paper, the basic mechanical properties, the vibration characteristics under different temperature fields, and the piezoelectric effect of silver-coated PVDF piezoelectric films were studied experimentally and analyzed. The specific research contents and conclusions are as follows: First, the PVDF piezoelectric films with different thickness of 40 μm, 64 μm, and 122 μm (the thickness of coated silver on the upper and lower surfaces is 6μm) were prepared. The tensile samples of PVDF piezoelectric film were tested in two directions using a fiber tensile tester,i.e.,parallel (1 direction) and perpendicular (2 direction) to the molecular chains, and the corresponding stress-strain curves were obtained. The experimental results show that: in the elastic stage, the mechanical properties of the two directions are practically identical,however ,in the plastic stage, the mechanical properties of the two directions are significantly different, showing a strong anisotropy.Next, PVDF cantilever specimens with thicknesses of 40μm, 64μm and 122μm were prepared respectively. The non-contact vibration test system was used to test the vibration characteristics of the PVDF cantilever beam under different temperature fields, and its first-order natural frequency was obtained. The experimental results show that the first-order natural frequency of the PVDF cantilever beam decreases with increasing temperature. In the initial heating stage, the frequency decreases more slowly, and when the temperature rises to a certain degree, it declines rapidly.Besides ,the smaller the PVDF film thickness is, the greater its natural frequency is affected by the temperature.Finally, based on the non-contact vibration test system, the piezoelectric effect of PVDF was investigated experimentally. The experimental results of three different thickness PVDF cantilever plates show that the voltage-frequency curve is in good agreement with the amplitude-frequency response curve, and the excitation frequency corresponding to the peak output voltage is consistent with the resonance frequency of the华中科技大学硕士学位论文PVDF cantilever plate, indicating the sensor’s output voltage has a good linear relationship with the input strain and is suitable for strain measurement. In the same time ,the sensor made of smaller thickness has higher sensitivity.In this paper, the basic properties of PVDF piezoelectric films were experimentally researched and analyzed,which provides the basic data reference for the design and optimization of PVDF piezoelectric sensors and has much significance in engineering application.Keywords: PVDF piezoelectric films; Tensile mechanical properties; Vibration characteristics; Piezoelectric effect.华中科技大学硕士学位论文目录摘要 (I)Abstract (II)目录 (IV)1绪论 (1)1.1研究背景和意义 (1)1.2PVDF压电薄膜基本特性 (2)1.3PVDF传感器在不同应用领域国内外研究现状 (5)1.4本文主要研究内容及安排 (13)2PVDF压电薄膜力学性能实验研究 (15)2.1PVDF压电薄膜表面形貌表征 (15)2.2PVDF压电薄膜拉伸力学性能 (16)2.3实验结果及分析 (18)2.4本章小结 (22)3不同温度场下PVDF悬臂梁振动特性实验研究 (23)3.1悬臂梁固有频率 (23)3.2PVDF悬臂梁振动测试实验 (24)3.3实验结果与讨论 (27)3.4本章小结 (33)4PVDF悬臂板压电效应实验研究 (34)4.1PVDF压电传感器信号调理电路 (34)4.2PVDF悬臂板压电效应实验 (37)华中科技大学硕士学位论文4.3实验结果与分析 (40)4.4本章小结 (46)5总结与展望 (47)5.1总结 (47)5.2展望 (48)致谢 (49)参考文献 (51)华中科技大学硕士学位论文1 绪论1.1 研究背景和意义在日常生产活动中，结构的振动是一个很普遍的问题。
聚合物压电智能材料研究新进展
压电材料类型 （PVDF） 压电聚合物聚偏氟乙烯 Polyvinylidenefluoride 压电陶瓷锆钛酸铅 Lead Zirconium Titanate （PZT） d 31 （pm / V） 28 175 g31 （mV-m / N） 240 11 k 31 0.12 0.34 特性 柔性， 轻质， 低声阻抗和机械阻抗 脆， 重， 毒性大
Calculated 7.0 35.0 6.6 30.0 12.0 23.0
measured 10.0 38.0 6.5 125.0 12.0 17.6
3.7 11.5 6.0 19.0 14.0 29.5 7.0
b
1.33 1.48 0.83 0.44 0.37 0.14 18.40
P u 由公式 P u = N!计算而得； " E 由公式计算而得； " E 由Eabove T g -Ebelow T g测量而得； 通常在 0.8 ~ 1.2 之间。 P r 由热激电流法测得的实际极化值。PVDF 的介电常数极低，
［4］ 物理加工方法控制） 的 PVDF， 才能在拉伸、 极化后提供较为理想的压电特性 。拉伸高聚物可以使非
并不是任何 PVDF 都有理想的压电性能， 只有头尾接、 结晶度高于 85% ， 具有B、 （可通过 Y、 S 极性晶型
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基于聚偏氟乙烯压电薄膜的几种物理因素识别
基于聚偏氟乙烯压电薄膜的几种物理因素识别【摘要】聚偏氟乙烯（PVDF）压电薄膜具有压电性、热释电性。
本文实验测试了PVDF压电薄膜在五种不同物理因素作用下的传感信号。
分析了这些信号频率和电压的差异性，从而确定PVDF压电薄膜可应用到单传感器多种物理因素识别领域。
【关键词】PVDF压电薄膜;传感器;多物理因素1.引言聚偏氟乙烯薄膜（PVDF）是半晶质有机聚合体，此聚合体由重复的CF2-CF2长链分子组成，经过一定化学工艺处理使得PVDF薄膜具有压电性、热释电性。
PVDF可输出较大的电压值，薄膜质量轻、韧揉、变形强度高、频率响应很宽。
应用PVDF制作的传感器种类甚多，与微电子技术相结合，能制成多功能传感元件。
PVDF压电薄膜优越的传感性能引起了用其作为力学量传感的研究热点，如用于结构健康监测智能结构与系统、各种力学传感器。
在应用过程中，PVDF作为传感器几乎都是应用于单物理因素作用。
而在本文中进行了PVDF压电薄膜在温度、风速、沙尘、水、噪音等五种物理因素下的信号变化研究，期望能将PVDF 压电薄膜推广到多物理因素传感。
2.多物理因素测试由于环境中的因素很多，不可能消除背景因素对信号的影响，因此此次实验都是基于背景因素的基础上，经过对波形的分析处理后，对实验结果没有影响。
如图1所示，搭建信号测试系统，压电薄膜中的信号输入到数字示波器中分析，档位设置中噪音抑制打开，Auto档位打开。
测试中所用的PVDF压电薄膜尺寸为40mm×40mm，实验环境为20℃、环境噪音20dB、无风、封闭。
以下给出PVDF 压电薄膜在不同因素下的信号反应。
图1 多物理因素测试示意图2.1 温度将PVDF压电薄膜置于太阳能灯前。
实验测试范围25℃～60℃（当温度超过80℃，压电薄膜就会到达它的居里温度，使它内部的晶体结构发生变化，从而导致压电性的改变或消失），每隔5℃记录二十组数据。
根据多组数据显示，在大约前2～4s内，波形电压值一直增加，接着处于平稳状态，频率值接近0Hz，其电压变化数值与温度成正比。
无机压电纳米纤维材料的应用
无机压电纳米纤维材料的应用首先，无机压电纳米纤维材料在能源领域中具有广泛的应用。
由于其具有很高的压电响应，可以将其用作压电发电器。
当外界施加压力时，无机压电纳米纤维材料会产生电荷分离，从而产生电能。
这种方法可以用于利用机械振动能、步态能等废弃能源，从而实现能量的回收和利用。
此外，无机压电纳米纤维材料还可以用于制备柔性电阻传感器，用于检测和测量力、压力、应变等物理量，广泛应用于机械控制、健康监测、智能装备等领域。
其次，在传感器领域中，无机压电纳米纤维材料也具有重要的应用价值。
由于无机压电纳米纤维材料具有高灵敏度和快速响应的特点，可以用于制备高性能的压力传感器、加速度计、声波传感器等。
这些传感器可以用于监测和控制工业过程中的压力、震动等参数，用于汽车安全系统、智能手机和可穿戴设备等领域。
此外，无机压电纳米纤维材料在储能领域中也具有潜力巨大的应用。
由于其具有优异的压电性能和高比表面积，可以用于制备高性能的压电超级电容器，并且具有较高的能量密度和功率密度。
压电超级电容器可以用于应对电网峰值需求、储能系统的能量采集和储存等领域，具有较宽广的应用前景。
同时，无机压电纳米纤维材料还可以应用于制备柔性电池，具有良好的机械稳定性和良好的电化学性能，可用于可穿戴设备、智能纺织品等领域。
最后，在生物医学领域，无机压电纳米纤维材料也得到了广泛的关注。
由于其具有良好的生物相容性和可调控的结构特性，可以用于制备纳米纤维支架，用于组织工程和再生医学，用于修复和重建受损的组织和器官。
此外，无机压电纳米纤维材料还可以应用于药物递送系统，在药物输送时可以通过施加压力、震动等方法来实现控制释放，具有较高的控制性和可调性。
综上所述，无机压电纳米纤维材料在能源、传感器、储能和生物医学等领域中具有广泛的应用价值。
随着纳米技术和制备技术的不断发展和改进，相信无机压电纳米纤维材料的应用前景将更加广阔，为各个领域中的科学研究和工程技术提供更多可能。
静电纺丝法制备服装用PVDF压电传感器
静电纺丝法制备服装用PVDF压电传感器王威;马爽;韩都;徐磊【摘要】This paper purposed design of a PVDF piezoelectric sensor which can be used for clothing. Using PVDF as raw materials,the PVDF fiber membrane was prepared by using the method of electrostatic spinning.The PVDF fiber membrane is soft and light.The samples were thoroughly characterized by using SEM and XRD.The results indicate that electrostatic spinning fiber membrane has no beaded structure and defect.The crystal type is β-phase based.However,the cast film has a unifo rm surface with the α-phase.The electro spinning film was encapsulated into acore with sandwich structure.The date of voltage was get by voltage date acquisition system under the normal clothing pressure,the piezoelectric properties is significant.%文中设计了可以用于服装的聚偏氟乙烯(PVDF)压电传感器.以PVDF为原料,采用静电纺丝的方法制备PVDF 纤维膜.制得的PVDF纤维膜柔软轻薄,通过扫描电镜(SEM)、XRD不同方法对样品进行表征,表征结果为静电纺纤维膜并无串珠结构和缺陷,成膜晶型以β晶为主;而流延法制得薄膜表面均匀,晶型为α晶.将静电纺纤维膜封装成具有三明治结构的传感器感芯,通过压电采集系统采集服装对人体正常压力下的电压,压电性能显著.【期刊名称】《仪表技术与传感器》【年(卷),期】2017(000)010【总页数】4页(P123-126)【关键词】聚偏氟乙烯(PVDF);静电纺丝法;压电性能;柔性传感器【作者】王威;马爽;韩都;徐磊【作者单位】天津工业大学纺织学院,天津 300387;天津工业大学纺织学院,天津300387;天津工业大学纺织学院,天津 300387;天津工业大学纺织学院,天津300387【正文语种】中文【中图分类】TP212传感器是智能服装的主要组成部分，它是实现服装智能化和舒适化的关键因素。
pvdf压电材料制备工艺
pvdf压电材料制备工艺PVDF压电材料制备工艺PVDF（聚偏氟乙烯）是一种高分子材料，具有良好的压电性能，因此被广泛应用于压电传感器、压电马达、压电声波器件等领域。
下面介绍一下PVDF压电材料的制备工艺。
1. PVDF的制备PVDF的制备一般采用溶液法或熔融法。
溶液法是将PVDF溶解在适当的溶剂中，然后通过蒸发或冷却结晶的方式得到PVDF。
熔融法是将PVDF加热至熔点，然后通过冷却结晶的方式得到PVDF。
两种方法都有其优缺点，具体选择哪种方法取决于具体的应用需求。
2. PVDF压电材料的制备PVDF压电材料的制备一般采用拉伸法或压延法。
拉伸法是将PVDF薄膜在一定的温度和拉伸速度下进行拉伸，使其分子链排列有序，从而获得良好的压电性能。
压延法是将PVDF薄膜在一定的温度和压力下进行压延，使其分子链排列有序，从而获得良好的压电性能。
两种方法都有其优缺点，具体选择哪种方法取决于具体的应用需求。
3. PVDF压电材料的应用PVDF压电材料的应用非常广泛，主要应用于压电传感器、压电马达、压电声波器件等领域。
其中，压电传感器是PVDF压电材料的主要应用领域之一，它可以将机械信号转换为电信号，从而实现对机械信号的检测和测量。
压电马达是PVDF压电材料的另一个重要应用领域，它可以将电信号转换为机械运动，从而实现对机械运动的控制和调节。
压电声波器件是PVDF压电材料的另一个重要应用领域，它可以将电信号转换为声波信号，从而实现对声波信号的发射和接收。
PVDF压电材料具有良好的压电性能，制备工艺也比较简单，因此在压电传感器、压电马达、压电声波器件等领域有着广泛的应用前景。
静电纺丝法制备服装用PVDF压电传感器
ａｎｄ ｌｉｇｈｔ．Ｔｈｅ ｓａｍｐｌｅｓ ｗｅｒｅ ｔｈｏｒｏｕｇｈｌｙ ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｚｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ＳＥＭ ａｎｄ ＸＲＤ．Ｔｈｅ ｒｅｓｕｌｔｓ ｉｎｄｉｃａｔｅ ｔｈａｔ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｆｉｂｅｒ
ｍｅｍｂｒａｎｅ ｈａｓ ｎｏ ｂｅａｄｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｄｅｆｅｃｔ． Ｔｈｅ ｃｒｙｓｔａｌ ｔｙｐｅ ｉｓ β－ｐｈａｓｅ ｂａｓｅｄ． Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｔｈｅ ｃａｓｔ ｆｉｌｍ ｈａｓ ａ ｕｎｉｆｏｒｍ ｓｕｒｆａｃｅ ｗｉｔｈ ｔｈｅ α－ｐｈａｓｅ．Ｔｈｅ ｅｌｅｃｔｒｏ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ｆｉｌｍ ｗａｓ ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｅｄ ｉｎｔｏ ａｃｏｒｅ ｗｉｔｈ ｓａｎｄｗｉｃｈ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ．Ｔｈｅ ｄａｔｅ ｏｆ ｖｏｌｔａｇｅ ｗａｓ ｇｅｔ ｂｙ ｖｏｌｔａｇｅ ｄａｔｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｓｙｓｔｅｍ ｕｎｄｅｒ ｔｈｅ ｎｏｒｍａｌ ｃｌｏｔｈｉｎｇ ｐｒｅｓｓｕｒｅ，ｔｈｅ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｉｓ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ． Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｐｏｌｙｖｉｎｙｌｉｄｅｎｅｆｌｕｏｒｉｄｅ（ ＰＶＤＦ） ；ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｓｐｉｎｎｉｎｇ ；ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ；ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｅｎｓｏｒ
Ｐｒｅｐａｒａｔｉｏｎ ｏｆ ＰＶＤＦ Ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｓｅｎｓｏｒ Ｕｓｅｄ ｉｎ Ｃｌｏｔｈｉｎｇ ｖｉａ Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ Ｓｐｉｎｎｉｎｇ
ＷＡＮＧ Ｗｅｉ，ＭＡ ＳΒιβλιοθήκη ｕａｎｇ，ＨＡＮ Ｄｕ，ＸＵ Ｌｅｉ
（ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ ｏｆ Ｔｅｘｔｉｌｅ，Ｔｉａｎｊｉｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｔｉａｎｊｉｎ ３００３８７，Ｃｈｉｎａ） ｍａｔｅｒｉａｌｓ，ｔｈｅ ＰＶＤＦ ｆｉｂｅｒ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｗａｓ ｐｒｅｐａｒｅｄ ｂｙ ｕｓｉｎｇ ｔｈｅ ｍｅｔｈｏｄ ｏｆ ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｓｐｉｎｎｉｎｇ．Ｔｈｅ ＰＶＤＦ ｆｉｂｅｒ ｍｅｍｂｒａｎｅ ｉｓ ｓｏｆｔ Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ ｐｕｒｐｏｓｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ａ ＰＶＤＦ ｐｉｅｚｏｅｌｅｃｔｒｉｃ ｓｅｎｓｏｒ ｗｈｉｃｈ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｆｏｒ ｃｌｏｔｈｉｎｇ． Ｕｓｉｎｇ ＰＶＤＦ ａｓ ｒａｗ
静电纺丝制备纳米纤维的进展及应用
米材料。
通 讯联 系人 。
场强度增加到临界值时 ， 半球状液滴会转变为锥 形， 这一带电的锥体称为 Ｔｙ ｒ ａｌ 锥。进一步增加 ｏ 电场强度， 带电射流会从 Ｔｙ ｒ ａｌ 锥尖喷射出来 ， ｏ 放
不能制 备连 续 的纳 米 纤维 ， 量 太 小 。 自组 装 法 产 是利用 分子 间的 相互 作 用 力 ， 已有 的 组 分 自发 将 地组 装 成具有 某种 形 貌 或 功能 的纳米 材 料 ， 可 但 控性较差 。静 电 纺丝 法 是 目前 唯 一 能够 直 接 、 连 续 制备 聚合物 纳米纤 维 的方 法 。 １ 静 电纺丝 的基本原 理 静 电纺丝 装 置主要 由 以下 ３部 分 组 成 ： 压 高 影 响静 电纺丝纤 维成形 的 因素主要 包含 ３个
维普资讯
第３ ０卷 第 ３期
２０ ０ ７年 ６月
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静 电纺 丝 制备 纳 米 纤维 的进 展及 应 用
在前驱体静电纺丝纳米纤维的应用过滤材料用静电纺丝法制备的纳米纤维较常规过滤材料大大提高纤维过滤毡与常规纤维过滤毡相比能提高协以上的颗粒林的颗粒对人体的危害也很大致癌物往往吸附在这些小颗粒上材则可以有效地过滤掉这些小颗粒公司已经制造出偏氟乙二烯为支撑基材体微滤膜和液体微滤膜组件不仅提高了其过滤性能且环境适应范围广物浓度适应范围宽生物医用功能材料静电纺丝纤维由于具有狼好的生物相容性和结构相容性物释放等用静电纺丝方法制备出可降解的聚醋型聚氨醋纳米纤维支架培养结果表明纺丝支架上容性很好的表面活性剂阴离子聚乳酸溶液中进行静电纺丝物聚合物纤维表面光滑放试验采用蛋白酶分解中释放出来物可从载药的纤维毡中持续传感器材料传感膜的灵敏度与每单位质量膜的表面积成正比其过滤效率如同样质量的超微细其过滤效率国内外现有的过滤材料只能净化而直径小于林特别是如二嗯英这种一
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电纺压电聚偏二氟乙烯有序纳米纤维及其在压力传感器中的应用王凌云;马思远;吴德志【摘要】针对传统静电纺丝法制备聚偏二氟乙烯(PVDF)压电纤维工艺复杂和效率低等问题,提出了采用滚筒收集方式制备PVDF有序纳米纤维的方法.通过改变滚筒转速收集纤维,得到了有序程度不同的PVDF纤维膜.用傅立叶变换红外光谱(FTIR)分析了有序纤维膜β晶相的含量,并利用NI数据采集卡在相同条件下测试了纤维膜的压电特性.结果表明:随着滚筒转速提高,纤维有序度增强,β相的含量提高,压电电压输出也明显增大,由此得知滚筒转速变化对p晶相的含量及压电输出电压的影响规律基本一致.基于得到的结果,设计制作了利用该有序PVDF纤维膜的压力传感器,并在不同气压下进行了动态响应测试.结果显示:所制备的PVDF有序纤维压力传感器在0.145～0.165 MPa下的电压输出随气压的增加呈线性增大,表现出了良好的线性度,其灵敏度达179mV/kPa.采用该种方法制备PVDF纤维对研制动态压力传感器极有意义.【期刊名称】《光学精密工程》【年(卷),期】2016(034)010【总页数】7页(P2498-2504)【关键词】静电纺丝;滚筒收集;聚偏二氟乙烯有序纳米纤维;压电特性;压力传感器【作者】王凌云;马思远;吴德志【作者单位】厦门大学机电工程系,福建厦门361000;厦门大学机电工程系,福建厦门361000;厦门大学机电工程系,福建厦门361000【正文语种】中文【中图分类】TP212.12;TQ343作为一种压电聚合物，聚偏二氟乙烯(Polyvinylidene Fluoride，PVDF)具有频响宽、声阻抗低、机械性能强度高、柔性等优点[1]，被广泛应用于能量收集、压力传感、脉搏监测、吸声体等领域[2-4]。
PVDF至少有α、β、δ、γ共4种晶相，其中β相具有最强的自发偶极。
因此，增加β相的含量是提高PVDF薄膜压电性能的关键。
传统上，制备PVDF压电薄膜的方式是先机械拉伸后电场极化，工艺复杂且效率低下。
静电纺丝是利用高压静电场将聚合物溶液或熔融体拉伸形成“泰勒锥”(Taylor Cone)并形成喷射细流(“射流”)，最终在接收装置上得到较细的纤维状物质的工艺过程。
由于电纺过程同时存在拉伸和极化的物理特征，可利用它实现一步制备PVDF压电纤维膜，简化了工艺步骤[5,6]。
Y.R.Wang等人用静电纺丝得到的PVDF纤维膜制备了压力传感器。
Tingping Lei等人通过在针尖增加铜片电极的方式改变电场分布，从而改善PVDF纤维膜的压电性能。
但这些方法制备的静电纺丝纤维呈杂乱状态，因而纤维膜的总体压电性能会因无序纤维间的相互抵消作用而降低[7-11]。
本文采用改进后的静电纺丝方法，通过高速旋转的金属滚筒进行纤维的收集，得到了有序的PVDF纤维膜。
采用扫描电子显微镜(SEM)对其纤维有序性进行观察，利用傅立叶变换红外光谱仪(FTIR)对纤维内晶相的组成进行了定性分析，并通过Lambert-Beers定律定量分析了β晶相含量。
测试了不同转速制备的PVDF 纤维膜在相同压力激励下的输出压电电压，论证了这种方法可提高PVDF纤维膜内的β相含量和压电性能[12-18]。
最后设计制作了基于此有序纤维的压力传感器并进行了动态压力特性的测试。
将一定量的PVDF粉末(分子量534 000 g/mol)溶于体积比为5∶5的DMF和丙酮的混合溶剂中，置于磁力搅拌机上常温搅拌12 h得到溶质质量分数为16%的胶体溶液。
制备PVDF有序纤维的装置如图1(a)所示，由注射泵(Harvard Apparatus MA 01746)，直流高压电源(DW-SA403-1ACE5)，滚筒(直径为10 cm)和滚筒转速控制装置等组成。
高压电源的正极与平头针尖(内径为0.25 mm)相连接，负极通过电刷与滚筒相连。
用2.5 ml注射器抽取上述所配置的适量胶体溶液，并用注射泵推动溶液以一定速率流出平头针尖，待胶体溶液在针尖形成悬挂的液滴时，打开直流电源，PVDF液滴在强电场力的作用下，克服表面张力后形成射流。
射流在空中受到进一步拉伸和溶剂挥发，最终形成纳米纤维并到达接地的金属滚筒上。
在保证施加电压、供液速度和针尖到收集板间距等其他参数相同的前提下，改变转筒转速，制得4组PVDF纤维膜，具体参数如表1所示。
用扫描电子显微镜(SEM，LEO1530)观察4组纤维膜的表面形貌。
并用傅立叶变换红外线光谱分析仪(FTIR，Nicolet Avator)记录波数在400～1 500 cm-1内纤维薄膜的红外光谱图。
最后将不同转速制得的纤维膜裁成1 cm×1 cm的正方形(如图1(c))，其上下两面引出电极(如图1(d))，放在图1(b)所示的装置上测试并记录压电电压输出。
3.1 纤维形貌与直径在供液速度为400 μL/hr的恒定条件下，利用表1中的参数制备的纤维薄膜的SEM电镜如图2所示。
可见PVDF纤维膜内纤维整体排列的有序程度受转速影响较大。
图2(a)中，当滚筒转速为500 r·min-1时，收集到的纤维呈现无序状分布。
随着滚筒转速的增加，纤维有序性逐渐提高，且排列更为紧密。
由于传统静电纺丝过程中，射流存在螺旋鞭动，当收集板静止或者低速运动时，收集到的纤维是杂乱无序的[19-22]。
而用高速旋转的滚筒收集时，当旋转滚筒表面对纤维的切向拉伸速度大于或等于纤维的喷射速度时，就能收集到有序排列的纤维，并且随着滚筒转速增加，纤维的有序性不断提高。
利用图像处理软件ImageJ对纤维直径进行统计，结果如图3所示，随着滚筒转速的提高，纤维的平均直径减小。
这说明纤维受到了高速旋转滚筒的机械拉伸，并且拉伸效果随着滚筒转速提高而增强，形成更细的纤维。
3.2 纤维膜内的晶相分析图4所示为4种转速制备的纤维膜的傅立叶变换红外光谱图，在波数分别为475、510、840、1 275和1 431 cm-1处出现的峰值对应于β晶相，表明4种转速条件下收集到的纤维膜中都有β晶相的存在。
在波数为840和1 275 cm-1处的峰值随着转速的增加而变高。
采用Lambert-Beer定律可确定4种纤维膜内β相的含量：3.3 压电性能测试对PVDF纤维膜利用图1(b)所示的测试系统进行压电性能测试。
测试系统由激振台、用于放置样品的升降台、National Instrument(NI)数据采集系统等组成。
测试过程中，激振台的振幅固定，振动频率为1 Hz，纤维膜的上下表面有铜电极，并用引线与数据采集端相连，采集的电压波形及统计结果如图6所示。
可见，较高滚筒转速制备的纤维膜的压电信号远强于低转速制得的纤维膜。
从统计结果来看，压电电压输出与滚筒转速之间趋近于线性正相关，并在滚筒转速为2 000 r·min-1条件下平均压电电压可达到2 V左右。
这一方面是由于纤维膜内β晶相含量的提高；另一方面是由于纤维膜内纤维有序性的增加，使得纤维之间由于空间位置关系所造成的压电响应抵消现象得以减弱，获得更好的纤维间压电性能的叠加。
因此利用该实验方法制备的有序PVDF纤维膜具有良好的压电响应性能，且随着滚筒转速的提高，压电性能更为显著。
基于有序电纺PVDF纤维，制作如图7(a)所示结构的压力传感器，该传感器由PVDF感应装置、2个探测针和2根导线等构成。
感应装置由1.5 cm×1.5 cm纤维膜放于两片薄铝电极之间，上下为两片PDMS基底作为保护和感压薄膜。
感应装置及信号调理电路采用不锈钢金属外壳封装，如图7(b)所示，为了将微弱的压电信号转化为放大的电信号并实现输入阻抗匹配，在信号调理电路中采用如图7(c)所示的电荷放大电路，该信号调理电路还包括高低频噪声和50 Hz市电干扰信号的滤波电路。
对基于上述实验制备的PVDF纤维膜利用图7(d)所示的测试系统进行压电性能测试。
测试系统由气泵、调压阀、压力传感器和示波器等组成。
测试过程中，气泵产生频率固定为1 Hz的动态气流，经调压阀调节输出气流的压力，当气流压力幅值逐渐增大时，输出压电电压随气压幅值变化情况如图8所示。
随着动态气压幅值的增加，压电输出电压增大。
该传感器在0.145～0.165 MPa内对气压呈较好的线性响应，由于采用了有序PVDF纳米纤维作为压电传感器的敏感单元，因而该压力传感器表现出了较高的灵敏度，可达179 mV/kPa，故采用该种方法制备的压力传感器适合由于动态压力测量要求特别敏感的场合。
本文利用静电纺丝和滚筒收集的方法得到了有序PVDF纳米纤维。
由SEM发现，纤维膜内纤维排列的有序性会随着滚筒转速的增加而提高，而纤维直径随着滚筒转速提高而减小。
由FTIR谱图以及Lambert-Beer定律计算可知，随着转速提高，纤维膜内β晶相含量增大，接近80%。
基于实验获取有序PVDF纳米纤维制备压力传感器，并对其进行性能测试，实验结果给出输出响应随滚筒转速的变化规律，说明增加转速导致β晶相含量和纤维取向度一致性的提高均会改善PVDF压电性能。
对基于该种方法制备的PVDF压力传感器的动态气压测试结果表明，该压力传感器有较高的灵敏度，可达179 mV/kPa，线性度良好，在0.145～0.165 MPa 内呈线性响应，且响应范围宽，应用领域广，具有很好的实用价值，因此采用该种方法制备的PVDF压电薄膜可为动态压力传感器的制备和研究提供参考。
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