高温极端环境下的设备长期运行往往伴随着剧烈的机械振动，对振动监测技术提出了更高的要求。在航空航天、能源装备、石油勘探及工业监测等领域，传统柔性压电传感器面临热降解失效的技术瓶颈，难以满足高温环境下的长期监测需求。目前，刚性压电传感器在某些应用中表现良好，但其较大的尺寸和有限的柔性限制了其在复杂曲面、动态部件及微小结构上的应用。因此，开发兼具高温稳定性、优异压电性能和良好机械柔性的传感材料，对极端环境振动监测至关重要。

近日，西南交通大学材料学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。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。

图1 耐高温PAN/BTO纳米纤维的设计

研究团队在聚丙烯腈（PAN）基体中引入钛酸钡（BTO）纳米颗粒，通过调控环化反应及分子链构型，实现了材料高温压电性能的优化。采用透射电子显微镜（TEM）、扫描电子显微镜（SEM）和X射线衍射（XRD）等表征手段，系统分析了BTO纳米颗粒在PAN基体中的分布及材料的微观结构演变。同时，结合静电势模拟研究了纯PAN与PAN/BTO纳米纤维在热退火过程中的热稳定性及极化行为。研究结果表明，BTO的引入有效提升了PAN的环化温度，增强了材料的高温压电响应，为高温柔性压电传感材料的设计提供了新的理论依据和实验支撑。

图2 PAN/BTO纳米纤维的表征与分析

研究结果表明，BTO纳米颗粒的引入有效调控了PAN的环化动力学，显著提升了材料的热稳定性。即使在500 ℃的高温环境下，复合纳米纤维仍保持优异的柔性和稳定的压电响应。进一步研究发现，热退火工艺增强了材料的阻燃性能，使其阻燃系数显著提高，从而提升了高温传感器的安全性，为其在极端环境下的应用提供了有力支持。

图3 PAN/BTO纳米纤维的高温电学性能和阻燃性能

为验证PAN/BTO纳米纤维的实际应用潜力，研究团队构建了一种基于机器学习的智能振动监测系统，并应用于空压机振动故障诊断。该系统集成高温耐受型传感器，以实时采集极端环境下的振动信号，并采用时间卷积网络（TCN）算法进行高效数据处理与模式识别。实验结果表明，该系统能够精准分类不同类型的振动故障，展现出卓越的高温适应性和长期运行稳定性，为极端环境下的设备健康监测提供了创新性的解决方案。

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