Поливинилиденфторид (PVDF) как ключевой материал гибких пьезоэлектрических полимеров обладает пьезоэлектрическими свойствами, которые в высокой степени зависят от содержания ββ-фазы. При обычных условиях ββ-фазу трудно эффективно формировать и она обладает низкой стабильностью, что ограничивает применение PVDF в области носимых сенсоров. Для эффективного индуцирования и стабилизации ββ-фазы в PVDF в данном исследовании в качестве функционального наполнителя выбраны кальций-мультиоксосольвентные одноатомные нанонити (Ca-POM SNWs) диаметром менее 1 нм, а с помощью электроспиннинга подготовлены композитные пленки PVDF/Ca-POM с различным содержанием наполнителя. Проведено систематическое изучение влияния добавок Ca-POM на микроструктуру, кристаллический состав, механические свойства и пьезоэлектрический отклик композитных пленок. На базе оптимальных композитных пленок создан гибкий носимый пьезоэлектрический сенсор, оценены его экологическая стабильность и потенциал для сенсоров биологических сигналов. Экспериментальные результаты показали, что Ca-POM SNWs за счет сильного межфазного взаимодействия стимулируют преобразование PVDF из αα-фазы в ββ-фазу, при этом содержание ββ-фазы в композитных пленках увеличилось с 62,6% у чистого PVDF до 81,0%. Кроме того, предельное сопротивление разрыву и пластичность пленок составили 4,69 МПа и 170 МДж/м³ соответственно, пьезоэлектрическое выходное напряжение увеличилось на 1300% по сравнению с чистыми пленками PVDF. Гибкий пьезоэлектрический сенсор на базе композитных пленок PVDF/Ca-POM сохранял стабильный электрический отклик при температурах от -40 до 80 ℃, относительной влажности 30%–80% и в имитированной среде пота; время отклика и восстановления составили 150 и 90 мс соответственно, что позволяет точно и в реальном времени отслеживать движения и физиологические сигналы различных частей тела, таких как пальцы рук, запястья, локтя и горла. Данное исследование предлагает новый механизм регулирования кристаллического перехода PVDF с использованием одномерных субнанометровых наполнителей и предоставляет новую концепцию и экспериментальную основу для разработки высокоэффективных гибких пьезоэлектрических материалов для носимых сенсоров.

субнанонити;пьезоэлектрический сенсор;регулирование ββ-фазы;экологическая стабильность;носимые сенсоры