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董蜀湘课题组在强化有机压电薄膜力-电敏感性能研究方面取得新进展

2021-03-29

“柔性”智能可穿戴设备(也称为电子皮肤)由于在医疗健康监控、智能机器人、智能假肢等方面的广泛应用,引起了越来越多的关注。电子皮肤能够迅速检测出人体的微小压力变化或运动姿态,并在人机界面上将这些机械量转换为电子信号,也是当今前沿研究的重要课题之一。

当前,大多数电子皮肤传感器,例如电阻、电容和温度传感器,都需要外部或额外的电能来供电。最近,一些研究人员利用摩擦发电现象应用于电子皮肤传感器和可穿戴电子设备供电。与基于摩擦发电现象的可穿戴电子设备相比,柔性压电传感器具有更高的灵敏度和更好的稳定性,以及更强的自供电功能。制造柔性压电器件最常用的材料是PVDF(聚偏氟乙烯)及其具有高β相含量的共聚物PVDF-TrFE,也包括压电陶瓷颗粒与高分子的复合材料。PVDF聚合物或其共聚物具有低介电常数、小声阻抗、出色的热电和铁电特性,并且还可以加工成任何形状,这些特性使其更适合于柔性自供电电子皮肤应用。但是,同“硬性”的无机压电陶瓷或单晶相比,PVDF聚合物或其共聚物的压电性能仍然非常有限。为了提高PVDF聚合物的压电效应,研究人员主要从材料改性、复合材料设计、新的加工技术以及电极图案设计等方面,来提高力-电敏感性,但收效有限。

北京大学董蜀湘课题组在强化有机压电薄膜力-电敏感性能研究方面取得新进展。其研究工作发现,通过3D打印在PVDF-TrFE压电薄膜上下表面设置一对错位的叉指电极,再通过施加高电压,在压电薄膜截面积的内部产生多个交替倾斜极化区域,从而对外部应力刺激表现出高的力-电敏感性。理论分析表明,通过倾斜极化在PVDF-TrFE薄膜内部产生了更大的电偶极矩,因此增强了压电薄膜的力-电敏感效应。实验结果表明,这种具有交替倾斜极化的PVDF-TrFE压电薄膜,在压强为50kPa,频率为1Hz的动态压缩力下可以产生73.5 V的峰值电压,对应的压力灵敏度为1.47V/kPa。获得的结果分别是传统厚度极化和表面极化PVDF-TrFE薄膜的14.7倍和3.6倍。此外,这种通过交替倾斜极化的PVDF-TrFE薄膜,在50kPa压力下产生的峰值功率密度高达478μW/cm2。即使不使用任何充电电容,也能瞬间点亮串联起来的8个Led灯。这项工作证实了通过3D打印设置的交替倾斜极化的PVDF-TrFE压电薄膜,在未来的自供电触觉传感器和人造皮肤应用方面具有巨大的应用潜力。该成果在线发表在《纳米能源》(Nano energy),题目为“A 3D-printed, alternatively tilt-polarized PVDF-TrFE polymer with enhanced piezoelectric effect for self-powered sensor application”.

文章DOI为:10.1016/j.nanoen.2021.105985。

该成果第一编辑是vnsc威尼斯城官方网站材料系17级博士生袁小婷,董蜀湘教授是该论文通讯编辑。研究获得了国家自然科学基金委(51772005,51132001)、863项目、磁电功能材料与器件北京市重点实验室的资助。


(a)具有交替倾斜极化的PVDF-TrFE薄膜的示意图。(b)垂直敲击交替倾斜极化的PVDF-TrFE薄膜的示意图。(c)交替倾斜极化的、表面极化的、厚度极化的PVDF-TrFE薄膜的输出电压与动态压缩力的函数关系。(d) 交替倾斜极化的、表面极化的、厚度极化的PVDF-TrFE薄膜的电流密度和负载功率密度与负载电阻的函数关系。交替倾斜极化的PVDF-TrFE薄膜安装在腕关节时,弯曲120°时的照片(e)和电压响应(f)。(g)手指轻按时,交替倾斜极化的PVDF-TrFE薄膜直接点亮8个LED的照片。

 

论文链接:

https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285521002433

 

 

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