新型压电复合材料：性能更好

导读

近日，美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员采用柔性聚合物载体支撑的压电泡沫陶瓷，有望将通过标准的压电复合材料采集机械能与热能的能力提高10倍。

背景

压电效应（piezoelectric effect），是指对压电材料施加压力，使其产生电位差（正压电效应）；反之施加电压，则产生机械应力（逆压电效应）。通过压电材料，我们可以利用机械形变产生电场，也可以利用电场产生机械形变，它为机械能与电能之间相互转化提供了一种途径。

（图片来源：维基百科）

压电材料一般包括：骨头、蛋白质、DNA、陶瓷、塑料、织物等，其应用范围非常广阔，例如：移动电话的谐振器和振动器、深海声纳、超声波成像等等。

压电效应的一项典型的用途就是发电。为了采集微小的机械运动能量并转化为电能，供应可穿戴的移动电子设备或健康监测感测器的运行，研究人员通常会向柔性聚合物载体中添加硬质陶瓷纳米颗粒或者纳米线。聚合物提供柔性，而压电纳米颗粒可以将机械能转化为电能。

（图片来源：Wang Lab/宾夕法尼亚州立大学）

但是，这些材料的效率相对较差，因为当机械负载产生时，机械能大部分被聚合物吸收，只有少部分转移到压电纳米颗粒上。虽然添加更多的陶瓷可以提高能量效率，但是也会降低柔性。

创新

近日，美国宾夕法尼亚州立大学的研究人员采用柔性聚合物载体支撑的压电泡沫陶瓷，有望将通过标准的压电复合材料采集机械能与热能的能力提高10倍。

（图片来源：Wang Lab/宾夕法尼亚州立大学）

相关论文发表于《Energy and Environmental Science》杂志。论文通讯作者、宾夕法尼亚州立大学工程科学与机械系教授 Sulin Zhang 与他的学生负责模拟三维复合材料压电性能的计算工作。

技术

美国宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程系教授 Qing Wang 表示：“这种柔性聚合物中的硬质陶瓷就像水中的石头。你可以猛烈的拍打水面，但是传递到这些石头上的力量却很少。我们称之为‘’应变传递能力”。

大约三十年前，已故的宾夕法尼亚州立大学科学家 Bob
Newnham 提出一个概念，即压电填料的连通性决定压电效应的效率。三维材料，比他归类的零维纳米颗粒、一维纳米线或者二维薄膜更加高效，因为机械能将可以直接通过三维材料传输而不会消失在聚合物基体中。

Wang 表示：“Bob Newnham 是压电领域的传奇人物。所以陶瓷社群中的每个人都了解他的方案，但是如何通过定义明确的微结构实现三维结构仍然是一个迷。”

解开这个谜团的秘方原来是一种廉价的聚氨酯泡沫除尘板，在家装店很容易买到。板上规格一致的小型凸起，充当压电陶瓷微结构的成形模板。研究人员以溶液中悬浮纳米颗粒的形式，将陶瓷应用于聚氨酯板。当模板和溶液被加热到足够高的温度时，这种板会燃尽，溶液结晶成固态三维缩微泡沫，上面具有统一规格的洞。然后，他们会在洞中填充聚合物泡沫陶瓷。

Wang 表示：“我们看到这种三维复合材料在不同模式下，能量输出会高很多。我们可以拉伸、弯曲、按压它。与此同时，如果存在至少有几度的温度梯度，它可以作为压电能量采集器使用。”

Zhang 表示：“我们能从理论上展示，纳米颗粒/纳米线复合材料的压电性能，严重受限于聚合物基体与压电陶瓷的刚度的巨大差异。对于这种新型三维符合材料的创新而言，它是这些复合材料之间的根本性差异。我们的广泛模拟进一步演示了这个想法。”

目前，Wang 和他的合作者正致力于为现有的锆钛酸铅陶瓷，寻找无铅和更加环境友好的替代品。

价值

这项研究改善了压电复合材料的性能，更有效地将机械能转化为电能，进一步推进了这一领域的研究，并将有利于压电复合材料早日应用于自供电的电子产品。

关键字

压电、材料、电子

参考资料

【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