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vnsc威尼斯城官方网站董蜀湘课题组利用3D打印方法在柔性压电陶瓷复合材料研究领域取得新进展

2020-04-10

压电材料具有将机械力转换为电荷的出色能力,反之亦然。压电陶瓷如锆钛酸铅,铌镁酸铅-钛酸铅等已被广泛应用于传感器、致动器、换能器和能量采集器。然而,陶瓷材料本身是脆性的。对于传统陶瓷材料而言,机械柔韧性和压电性是两个相互矛盾的属性,提高一种性能通常会损害另一种性能。例如锆钛酸铅基陶瓷具有较高的压电性能,但由于其固有的脆性,锆钛酸铅基陶瓷不适合直接集成到柔性电子器件中。为了拓宽压电材料在柔性感知等领域的应用,需要开发出兼具机械柔韧性和对环境机械振动或外界刺激做出响应的柔性压电陶瓷复合材料。


图1. 3D打印设计压电复合材料的示意图以及实物图

最近,vnsc威尼斯城官方网站董蜀湘课题组,利用3D打印技术,成功制备了一种具有高机电耦合和压力敏感的聚合物基柔性压电陶瓷复合材料,可以实现任意网格形状的设计制备。实验结果表明,通过该方法打印设计的压电复合材料具有设计灵活性和机械柔韧性的特点,3D打印的压电复合材料可以拉伸至超过3倍于材料本身的长度而不断裂;被压缩到最大80%的应变后,去除外部载荷后仍可以迅速恢复到其初始形状。通过将压电陶瓷与银纳米颗粒相结合设计成压电半导体异质结结构,极化后的压电复合材料的压电电压系数也得到了显著提升,可以达到400×10-3 V m N-1。进一步研究发现,极化后的3D打印压电复合材料对手指轻微敲击都有很高的感应灵敏度,并且对自由掉落物体的冲击具有较大的电压响应;通过机电耦合作用,可以有效地将输入的机械能转换为电能,并且无需使用任何电荷存储单元即可点亮20个商用红色LED灯。这项研究成果有望在未来的柔性可穿戴电子设备,机器人柔性感知和生物信号识别等,以及机械能量回收方面具有重要应用潜力。该成果目前在线发表于国际重要期刊《纳米能源》(Nano Energy)。论文题目为:3D-printed flexible, Ag-coated PNN-PZT ceramic-polymer grid-composite for electromechanical energy conversion(DOI:  10.1016/j.nanoen.2020.104737)。原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520302949?via=ihub#bib30。


图2.(a)砝码冲击试验的光学图像;(b)砝码冲击试验的实时电压输出响应;(c)极化后3D打印压电复合材料受到外界刺激示意图;(d)20个红色LED灯被点亮前后的光学图像

该论文的第一编辑是vnsc威尼斯城官方网站材料工程与科学系2018级博士生王泽环,董蜀湘教授是论文通讯编辑。合编辑还包括南方科技大学汪宏教授、济南大学青年教师郇宇。这项研究获得国家自然科学基金委(51772005,51132001)资助、磁电功能材料与器件北京市重点实验室的支撑。

 

 

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