本文属于类型a，即单一原创研究论文。以下是针对该研究的学术报告。

本研究由南京航空航天大学机械结构力学及控制国家重点实验室的赵秋莹、马一舟、季红丽、裘进浩，河海大学海洋与近海工程研究院及力学与材料学院的杨路、黄华杰、何海燕，以及扬州大学测试中心的王志峰等人共同完成。通讯作者为杨路和裘进浩。该论文发表于Journal of Alloys and Compounds，于2021年7月8日在线发表，卷号为886，文章编号161069。

该研究属于柔性压电传感器领域。随着人机界面、触控显示等智能终端设备的快速发展，对高灵敏度、高可靠性和柔性压力传感器的需求日益增加。在各类压力传感器中，基于压电效应的传感器因其超快响应时间和低功耗而备受关注。聚偏氟乙烯（PVDF）基含氟聚合物因具有良好的柔性、化学稳定性、机械强度和生物相容性，成为构建柔性传感器的理想材料。然而，PVDF较低的压电系数导致其电荷灵敏度和电压灵敏度不足，限制了其实际应用。已有研究表明，通过引入石墨烯、碳纳米管等导电纳米填料可以在较低添加量下有效提高PVDF的压电相含量并诱导界面耦合效应，从而提升灵敏度。MXene（Ti₃C₂Tₓ）作为一种新型二维过渡金属碳化物，具有优异的导电性和机械性能，但其在调控压电聚合物压电性能方面的潜力尚未得到充分探索。因此，本研究旨在挖掘单层MXene纳米片在提升PVDF压电性和灵敏度方面的作用，并构建基于MXene/PVDF复合薄膜的高灵敏度柔性压力传感器。

研究的工作流程包括材料制备、薄膜成型、性能表征和传感性能测试四个主要环节。首先，通过氢氟酸刻蚀Ti₃AlC₂（MAX）粉末制备多层MXene，再经超声剥离获得单层MXene纳米片。随后，将不同质量分数（0、0.2、0.4、0.6、0.8 wt%）的MXene纳米片与PVDF溶液混合，采用静电纺丝、热压和辊压三步法制备MXene/PVDF复合薄膜，样品命名为MX-x，其中x代表MXene的质量分数。薄膜厚度约40微米，并在两侧沉积金电极后进行电晕极化处理，极化电压10–20 kV。传感测试时将薄膜用PET薄膜真空封装以减少摩擦电效应。表征方面，采用场发射扫描电子显微镜（FESEM）和透射电子显微镜（TEM）观察多层MXene、MXene纳米片及复合薄膜的形貌；利用X射线衍射（XRD）分析晶体结构；通过差示扫描量热法（DSC）分析熔融和结晶行为；使用傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线光电子能谱（XPS）表征MXene纳米片表面官能团。力学性能通过拉伸试验机测试，介电性能通过阻抗分析仪测量，铁电性能通过铁电测试系统获得极化-电场（P-E）回线，压电系数d₃₃通过准静态方法测量。传感性能通过力锤实验和悬臂梁振动实验评价，输出电压由数字存储示波器记录。值得注意的是，该研究采用了静电纺丝、热压和辊压相结合的三步成型工艺，有效促进了PVDF中β相的形成，并实现了MXene纳米片在基体中的均匀分散和定向排列。数据分析中，β相含量通过FTIR谱图中771 cm⁻¹和840 cm⁻¹处吸收峰的比值计算，结晶度由DSC熔融焓计算，压电电压灵敏度通过输出电压与施加力的线性拟合获得。

研究结果显示，XRD和FTIR证实了MXene纳米片的成功合成。SEM和TEM图像表明MXene纳米片在PVDF基体中分散均匀，无明显团聚，且沿辊压方向定向排列。XRD和FTIR分析表明所有样品中β相含量均超过95 wt%，MXene的引入进一步促进了β相的形成。DSC结果显示复合薄膜的结晶度随MXene含量增加而略有下降，从纯PVDF的约50 wt%降至MX-0.8的约40 wt%。力学性能测试表明，MXene的加入提高了PVDF的拉伸强度和杨氏模量，MX-0.8的杨氏模量达到1.49 GPa，比纯PVDF提高约12%。介电性能测试显示，复合材料的介电常数随MXene含量增加而提高，MX-0.8在1000 Hz时达到16，而纯PVDF为8.3；同时介电损耗和电导率并未显著增加，保持了良好的绝缘性。铁电性能测试显示，复合材料可承受500 MV/m的极化电场，最大剩余极化强度为13.2 μC/cm²，而纯PVDF在400 MV/m下仅为8.4 μC/cm²。压电系数d₃₃测试表明，MX-0.4样品的d₃₃达到峰值43 pC/N，是纯PVDF（21 pC/N）的两倍以上。虽然β相含量和结晶度的乘积在复合材料中并未提高，但MXene纳米片诱导的强界面耦合效应被认为是压电性能增强的主要原因。传感性能测试表明，MX-0.4传感器的电压灵敏度达到0.0480 V/N，是纯PVDF传感器（0.0221 V/N）的两倍。该传感器的恢复时间为3.1 ms，略高于纯PVDF传感器的2.8 ms，但仍可满足大多数生理信号的检测需求。在14 Hz正弦激励下的长期稳定性测试中，传感器连续工作超过10000秒无性能衰减，表现出优异的可靠性和耐久性。

本研究的结论是，MXene纳米片可以作为有效的增强相显著提高PVDF的压电输出和灵敏度。在0.4 wt%的低添加量下，复合薄膜的压电系数d₃₃达到43 pC/N，电压灵敏度达到0.0480 V/N，且具有约3.1 ms的快速恢复时间和良好的循环稳定性。该研究的科学价值在于首次系统证明了MXene纳米片对PVDF压电性能的增强作用，并揭示了界面耦合效应在其中的关键作用。其应用价值在于为柔性压力传感器的材料设计提供了新思路，有望推动高性能可穿戴电子器件的发展。

本研究的亮点主要包括：首次将单层MXene纳米片用于提升PVDF的压电性能；在0.4 wt%的低添加量下实现了压电系数和电压灵敏度的显著提升；采用三步成型工艺实现了β相的高含量和MXene的均匀定向分散；所制备的传感器具有高灵敏度、快速恢复和长期稳定等综合优势。此外，该研究还通过对比不同MXene添加量下的性能变化，确定了最佳添加量，为后续研究提供了参考。