rGO掺杂PAN/PVDF分子共混纳米纤维的增强振动检测：柔性压电振动传感元件的制备与性能表征

本研究针对柔性传感器灵敏度不足的问题，通过电纺丝技术制备GO/rGO掺杂的PAN/PVDF纳米纤维，结合PDMS基体开发高性能压电振动传感元件。结果表明，50 mM SB还原的PAN/PVDF/GO50SB样品输出电压达1.98 V，D/G峰强度比(ID/IG)最低（0.992），XPS显示SB还原后C/O比提升至43.21。该技术可应用于飞机结构动态载荷监测和飞行员可穿戴设备开发。

　　

在航空工业和可穿戴技术领域，高灵敏度振动检测始终是技术突破的瓶颈。传统压电材料如锆钛酸铅（PZT）虽性能优异，但脆性大、柔韧性差，难以适应复杂曲面或动态环境。而柔性聚合物如聚偏氟乙烯（PVDF）虽具备轻质可弯曲特性，其压电系数（d₃₃）却远低于无机材料。如何通过纳米结构设计和材料复合提升柔性传感器的性能，成为研究者亟待解决的难题。

针对这一挑战，土耳其航空航天工业公司（TUSA?）与布尔萨乌鲁达大学合作，创新性地提出将还原氧化石墨烯（rGO）掺杂至聚丙烯腈（PAN）和PVDF分子共混体系中，通过电纺丝技术构建纳米纤维增强的柔性压电传感元件。研究团队发现，GO在纳米纤维内部的原位还原可显著提升压电响应，而PAN与PVDF的协同效应更将输出电压推升至1.98 V——这一数值在柔性压电材料中极具竞争力。相关成果发表于《Sensors and Actuators A: Physical》，为航空结构健康监测和智能穿戴设备提供了新材料解决方案。

关键技术方法
研究采用化学还原法（L-抗坏血酸/LAA和硼氢化钠/SB）处理GO及GO掺杂纳米纤维，通过电纺丝制备PAN、PVDF及其共混纳米纤维膜，并以聚二甲基硅氧烷（PDMS）为基体封装成传感元件。结合扫描电镜（SEM）、拉曼光谱和X射线光电子能谱（XPS）分析材料形貌与化学结构，通过振动测试平台评估压电性能。

研究结果

1. 微观结构表征
   SEM显示纳米纤维直径均匀（200-500 nm），rGO掺杂未破坏纤维连续性。拉曼光谱中(PAN/PVDF/GO)_50SB样品的I_D/I_G比最低（0.992），表明SB还原有效修复了石墨烯晶格缺陷。XPS证实SB还原后C/O比达43.21，远高于LAA处理的16.35，说明SB更高效去除含氧基团。

2. 压电性能优化
   分子共混策略使PAN与PVDF产生协同压电效应：PVDF的β相含量因GO掺杂增加，而PAN的氰基极性增强电荷分离。50 mM SB还原的共混样品输出电压峰值达1.98 V，较单一组分提升近300%。

3. 应用验证
   传感元件在模拟飞机框架振动测试中表现出高信噪比（>20 dB）和宽频响应（10-1000 Hz），证实其适用于动态载荷监测。

结论与意义
该研究首次实现GO在纳米纤维内部的原位还原，突破传统外掺rGO导致的分散不均问题。PAN/PVDF分子共混与SB催化还原的双重策略，为柔性压电材料设计提供新思路。所开发传感元件兼具高灵敏度（1.98 V输出）和机械柔韧性，不仅可用于飞机结构健康实时监测，还可扩展至人体运动捕捉等可穿戴领域。作者Ayse Bostanci Yoruk强调，这一技术未来可通过调控rGO掺杂浓度进一步优化，为智能材料在极端环境下的应用铺平道路。