在航空航天、能源装备和工业监测等高温极端环境下，传统柔性压电传感器面临热降解失效的技术瓶颈。针对这一重大需求，我院邓维礼副教授和杨维清教授团队联合新西兰奥克兰大学汤丽华教授团队创新性地提出了一种基于环化聚丙烯腈/钛酸钡（PAN/BTO）复合纳米纤维的高温压电调控机制，成功研制出兼具高温稳定性和优异压电性能的新型柔性压电传感材料（工作温度可达500 ℃），有望为高温环境下的振动监测、结构健康监测等应用提供新方案。近日，相关研究成果以“High-temperature-resistance flexible piezoelectric sensor via cyclized PAN/BTO nanofibers”为题发表于国际知名期刊《Nano Energy》。材料学院2023级硕士研究生周婷婷为论文第一作者，邓维礼副教授为论文通讯作者。研究工作得到了国家自然科学基金、四川省科技计划、西南交通大学基础培育等项目支持。

在高温环境（如航空航天、能源设备和工业监测）下，传统柔性压电传感器容易因热降解而失效，因此开发兼具高温稳定性和优异压电性能的柔性传感材料具有重要意义。本研究通过在聚丙烯腈（PAN）基体中引入钛酸钡（BTO）纳米颗粒，调控环化反应和分子链构型，从而提高材料的高温压电响应。

图1 耐高温PAN/BTO纳米纤维的设计

研究团队采用静电纺丝技术制备PAN/BTO复合纳米纤维，并通过热处理实现PAN的环化反应。利用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）、X射线衍射（XRD）等手段分析了BTO纳米颗粒的分布及材料的微观结构。此外，结合静电势模拟分析了纯PAN和PAN/BTO纳米纤维在热退火过程中的热行为。结果表明BTO能够提高PAN环化温度并增强其高温压电性能。

图2 PAN/BTO纳米纤维的表征与分析

研究表明，BTO纳米颗粒的引入显著影响PAN的环化动力学，提高了材料的热稳定性。在500 ℃高温条件下，复合纳米纤维仍能保持良好的柔性和稳定的压电响应。此外，实验发现，热退火工艺提升了材料的阻燃性能，显著提高了阻燃系数，这为高温传感器的安全性提供了保障。

图3 PAN/BTO纳米纤维的高温电学性能和阻燃性能

为了验证PAN/BTO纳米纤维的实际应用价值，研究团队开发了一种基于机器学习的振动监测系统，用于空压机振动故障的智能诊断。该系统利用传感器采集高温环境下的振动信号，并通过时间卷积网络（TCN）算法进行数据处理。实验表明，该传感系统能够精准识别不同类型的振动故障，表现出优异的高温环境适应性和长期稳定性，为极端条件下的设备监测提供了新的解决方案。

图4 一种深度学习辅助的机械振动实时监测系统

原文链接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2025.110910