新型壓電複合材料：性能更好！

導讀

近日，美國賓夕法尼亞州立大學的研究人員採用柔性聚合物載體支撐的壓電泡沫陶瓷，有望將通過標準的壓電複合材料採集機械能與熱能的能力提高10倍。

背景

壓電效應（piezoelectric effect），是指對壓電材料施加壓力，使其產生電位差（正壓電效應）；反之施加電壓，則產生機械應力（逆壓電效應）。通過壓電材料，我們可以利用機械形變產生電場，也可以利用電場產生機械形變，它為機械能與電能之間相互轉化提供了一種途徑。

（圖片來源：維基百科）

壓電材料一般包括：骨頭、蛋白質、DNA、陶瓷、塑料、織物等，其應用範圍非常廣闊，例如：行動電話的諧振器和振動器、深海聲納、超聲波成像等等。

壓電效應的一項典型的用途就是發電。為了採集微小的機械運動能量並轉化為電能，供應可穿戴的移動電子設備或健康監測感測器的運行，研究人員通常會向柔性聚合物載體中添加硬質陶瓷納米顆粒或者納米線。聚合物提供柔性，而壓電納米顆粒可以將機械能轉化為電能。

（圖片來源：Wang Lab/賓夕法尼亞州立大學）

但是，這些材料的效率相對較差，因為當機械負載產生時，機械能大部分被聚合物吸收，只有少部分轉移到壓電納米顆粒上。雖然添加更多的陶瓷可以提高能量效率，但是也會降低柔性。

創新

近日，美國賓夕法尼亞州立大學的研究人員採用柔性聚合物載體支撐的壓電泡沫陶瓷，有望將通過標準的壓電複合材料採集機械能與熱能的能力提高10倍。

（圖片來源：Wang Lab/賓夕法尼亞州立大學）

相關論文發表於《Energy and Environmental Science》雜誌。論文通訊作者、賓夕法尼亞州立大學工程科學與機械系教授 Sulin Zhang 與他的學生負責模擬三維複合材料壓電性能的計算工作。

技術

美國賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程系教授 Qing Wang 表示：「這種柔性聚合物中的硬質陶瓷就像水中的石頭。你可以猛烈的拍打水面，但是傳遞到這些石頭上的力量卻很少。我們稱之為『』應變傳遞能力」。

大約三十年前，已故的賓夕法尼亞州立大學科學家 Bob
Newnham 提出一個概念，即壓電填料的連通性決定壓電效應的效率。三維材料，比他歸類的零維納米顆粒、一維納米線或者二維薄膜更加高效，因為機械能將可以直接通過三維材料傳輸而不會消失在聚合物基體中。

Wang 表示：「Bob Newnham 是壓電領域的傳奇人物。所以陶瓷社群中的每個人都了解他的方案，但是如何通過定義明確的微結構實現三維結構仍然是一個迷。」

解開這個謎團的秘方原來是一種廉價的聚氨酯泡沫除塵板，在家裝店很容易買到。板上規格一致的小型凸起，充當壓電陶瓷微結構的成形模板。研究人員以溶液中懸浮納米顆粒的形式，將陶瓷應用於聚氨酯板。當模板和溶液被加熱到足夠高的溫度時，這種板會燃盡，溶液結晶成固態三維縮微泡沫，上面具有統一規格的洞。然後，他們會在洞中填充聚合物泡沫陶瓷。

Wang 表示：「我們看到這種三維複合材料在不同模式下，能量輸出會高很多。我們可以拉伸、彎曲、按壓它。與此同時，如果存在至少有幾度的溫度梯度，它可以作為壓電能量採集器使用。」

Zhang 表示：「我們能從理論上展示，納米顆粒/納米線複合材料的壓電性能，嚴重受限於聚合物基體與壓電陶瓷的剛度的巨大差異。對於這種新型三維符合材料的創新而言，它是這些複合材料之間的根本性差異。我們的廣泛模擬進一步演示了這個想法。」

目前，Wang 和他的合作者正致力於為現有的鋯鈦酸鉛陶瓷，尋找無鉛和更加環境友好的替代品。

價值

這項研究改善了壓電複合材料的性能，更有效地將機械能轉化為電能，進一步推進了這一領域的研究，並將有利於壓電複合材料早日應用於自供電的電子產品。

關鍵字

壓電、材料、電子

參考資料

【1】http://news.psu.edu/story/522458/2018/05/21/research/flexible-highly-efficient-multimodal-energy-harvesting

【2】Guangzu Zhang, Peng Zhao, Xiaoshan Zhang, Kuo Han, Tiankai Zhao, Yong
Zhang, Chang Kyu Jeong, Shenglin Jiang, Sulin Zhang, Qing Wang. Flexible
three-dimensional interconnected piezoelectric ceramic foam based
composites for highly efficient concurrent mechanical and thermal energy
harvesting. Energy & Environmental Science, 2018; DOI: 10.1039/C8EE00595H

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