北京大學利用3D列印方法在柔性壓電陶瓷複合材料研究取得新進展

壓電材料具有將機械力轉換為電荷的出色能力，反之亦然。壓電陶瓷如鋯鈦酸鉛，鈮鎂酸鉛-鈦酸鉛等已被廣泛應用於傳感器、致動器、換能器和能量採集器。然而，陶瓷材料本身是脆性的。對於傳統陶瓷材料而言，機械柔韌性和壓電性是兩個相互矛盾的屬性，提高一種性能通常會損害另一種性能。例如鋯鈦酸鉛基陶瓷具有較高的壓電性能，但由於其固有的脆性，鋯鈦酸鉛基陶瓷不適合直接集成到柔性電子器件中。為了拓寬壓電材料在柔性感知等領域的應用，需要開發出兼具機械柔韌性和對環境機械振動或外界刺激做出響應的柔性壓電陶瓷複合材料。

圖1. 3D列印設計壓電複合材料的示意圖以及實物圖

最近，北京大學工學院董蜀湘課題組，利用3D列印技術，成功製備了一種具有高機電耦合和壓力敏感的聚合物基柔性壓電陶瓷複合材料，可以實現任意網格形狀的設計製備。實驗結果表明，通過該方法列印設計的壓電複合材料具有設計靈活性和機械柔韌性的特點，3D列印的壓電複合材料可以拉伸至超過3倍於材料本身的長度而不斷裂；被壓縮到最大80%的應變後，去除外部載荷後仍可以迅速恢復到其初始形狀。通過將壓電陶瓷與銀納米顆粒相結合設計成壓電半導體異質結結構，極化後的壓電複合材料的壓電電壓係數也得到了顯著提升，可以達到400×10-3 V m N-1。進一步研究發現，極化後的3D列印壓電複合材料對手指輕微敲擊都有很高的感應靈敏度，並且對自由掉落物體的衝擊具有較大的電壓響應；通過機電耦合作用，可以有效地將輸入的機械能轉換為電能，並且無需使用任何電荷存儲單元即可點亮20個商用紅色LED燈。這項研究成果有望在未來的柔性可穿戴電子設備，機器人柔性感知和生物信號識別等，以及機械能量回收方面具有重要應用潛力。

圖2.（a）砝碼衝擊試驗的光學圖像；（b）砝碼衝擊試驗的實時電壓輸出響應；（c）極化後3D列印壓電複合材料受到外界刺激示意圖；（d）20個紅色LED燈被點亮前後的光學圖像

該成果目前在線發表於國際重要期刊《納米能源》（Nano Energy）。論文題目為：3D-printed flexible, Ag-coated PNN-PZT ceramic-polymer grid-composite for electromechanical energy conversion（DOI: 10.1016/j.nanoen.2020.104737）。該論文的第一作者是北京大學工學院材料工程與科學系2018級博士生王澤環，董蜀湘教授是論文通訊作者。合作者還包括南方科技大學汪宏教授、濟南大學青年教師郇宇。這項研究獲得國家自然科學基金委（51772005，51132001）資助、磁電功能材料與器件北京市重點實驗室的支持。

來源 北京大學工學院

https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2211285520302949?via=ihub#bib30

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