1．目的及意义

随着能源短缺以及化石燃料造成的环境污染问题日益严重，可再生的绿色能源成为研究者们重点关注的问题。绿色能源包括太阳能、风能、潮汐能以及振动能等。其中振动能是在各类环境中都普遍存在的能量。而随着可穿戴的柔性电子设备的不断发展，研究者正致力于将环境中的振动能收集并转化为电能，并对此类可穿戴的柔性电子设备供电。收集环境中的机械能的方式主要有电磁式、摩擦式与压电式。其中压电式能量收集方式由于没有结构上的限制以及不需要外接电源等优点正成为能量收集领域的研究热点。

居里兄弟(Jacpues Curie、Pirre Curie)在1880年发现压电效应，这是压电研究的起点。压电效应是晶体在力的作用下发生形变，并伴随电势差产生的原因。具备压电效应的材料被称为压电材料。而压电材料分为三类：(1)纳米级半导体压电材料，包括氧化锌(ZnO)、硫化镉(CdS)、硫化锌(ZnS)、氮化镓(GaN)以及氮化铟(InN)等。(2)纳米级钙钛矿压电材料，例如锆钛酸铅(PZT)、铌酸钾(KNbO₃)、铌酸钠(NaNbO₃)以及钛酸钡(BaTiO₃)等。(3)压电聚合物，例如聚偏氟乙烯(PVDF)。由于传统的压电材料采用刚性衬底，价格昂贵、易碎，制备的器件结构单一且生物相容性较差，能量收集效率较低，在压电设备的制备与应用方面受到制约。相比之下柔性衬底可以裁剪成任何形状，不受振动环境的影响，质量轻柔性好，可以大幅度弯曲从而提高振动能的收集效率。因此基于柔性衬底的压电式能量收集设备由于其独特的优势受到越来越多研究者的研究和关注。

PVDF具有较好的柔性、生物相容性，同时质量较轻，因此成为许多压电设备中的基体材料。PVDF按照不同的链构象有着至少五种不同的结构：α, β, γ, δ与ε相。PVDF中最为常见的是α相，而β相的压电性能最好。β相是一种全反式的TTTT构象，这种构象中氟原子位于分子链的一侧，分子沿一个特定方向平行排列，偶极子方向相同进而极性增强。这种极性构象是PVDF具有压电特性的原因。研究表明，通过机械拉伸、静电场极化以及添加无机纳米颗粒等可以促进α相转变为β相，进而提升PVDF的压电性能。为了提升PVDF的压电性能，研究者将不同的纳米颗粒如CuS、Fe₃O₄、BiVO₄等引入到PVDF基体中，这些纳米颗粒作为成核剂诱导β相的形成，进而增强PVDF的压电性能。另一方面钙钛矿压电陶瓷PZT由于具有优异的压电性能也被引入到PVDF基体中以提升复合材料的压电性能。但由于加入PZT引入的Pb 及其氧化物具有较强的毒性，同时PZT的合成步骤较为复杂，这限制了PZT在压电材料中的应用。

NaNbO₃是一种相变行为较为复杂的钙钛矿材料，早在1951年研究者就开始对NaNbO₃块体材料进行研究。合成NaNbO₃的方法有传统的固相法、聚合物前驱体法、水热法与溶胶凝胶法等。一般固相法和聚合物前驱体法制备的是NaNbO₃大颗粒粉体，都需要较高的煅烧温度，并且粒径大且分布较宽，取向性不高，导致其压电性能较低。2011年Jong等采用水热法制备NaNbO₃纳米线，并与PDMS混合制备了柔性的纳米发电机，在0.23%的应变下，带有NaNbO₃纳米线的柔性器件开路电压可达3.2 V，闭合电流达73 nA。相较于传统方法，水热法工艺简单，制备温度低，且合成的NaNbO₃纳米线具有较好的压电性能。因此将NaNbO₃引入到PVDF中以增强PVDF的β相形成进而提升复合材料的压电性能是一种制备高性能压电材料的新策略。

本项目通过水热法合成NaNbO₃，通过静电纺丝法制备NaNbO₃/PVDF纳米复合薄膜以制备压电式纳米纤维毡。通过尝试不同的水热法工艺条件以制备不同尺寸的NaNbO₃纳米线、NaNbO₃纳米棒以及NaNbO₃纳米立方体等，以探索微观形貌与结构对于复合材料宏观压电性能的影响，并综合讨论NaNbO₃提升PVDF压电性能的作用机理，为设计和发展高性能压电器件提供理论依据和基础。{title}

2. 研究的基本内容与方案

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研究的基本内容：

1.设计实验方案，通过水热法制备NaNbO₃纳米材料，通过静电纺丝法制备NaNbO₃/PVDF纳米复合薄膜，从而合成高性能压电式纳米纤维毡。

2.对合成的NaNbO₃纳米材料、NaNbO₃/PVDF纳米复合薄膜的形貌、结构与性能进行表征，探究不同尺寸与形貌NaNbO_3--纳米材料的水热法工艺条件，寻找压电性能较好的NaNbO₃/PVDF纳米纤维毡制备方法。

3. 研究NaNbO₃掺杂对静电纺PVDF纳米纤维微观形貌、结构及宏观压电性能的影响，综合讨论NaNbO₃提升PVDF压电性能的作用机理。

研究的目标：

1.掌握水合法合成纳米材料以及静电纺丝制备薄膜的步骤，学习静电纺丝机、铁电测试仪、准静态d₃₃测试仪、电化学工作站的使用方法。