傳感器能源供給問(wèn)題是未來(lái)發(fā)展多功能電子產(chǎn)品的技術(shù)瓶頸。壓電材料可將環(huán)境中富余的機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，使電子產(chǎn)品擺脫對(duì)傳統(tǒng)電池的依賴，是加快工業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的關(guān)鍵技術(shù)支撐。然而受材料模量和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的幾何約束限制，常規(guī)壓電制件環(huán)境自適應(yīng)能力差，受力塑性變形顯著，嚴(yán)重制約其在可穿戴柔性電子領(lǐng)域發(fā)展。
近期，四川大學(xué)高分子材料工程國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室陳英紅教授團(tuán)隊(duì)報(bào)道了一種結(jié)合固相剪切碾磨和3D打印技術(shù)制備基于可編程機(jī)械超材料設(shè)計(jì)的聚偏氟乙烯（PVDF）基電子皮膚新策略。該工作研究了離子鹽-蒙脫土（MMT）模板作用下PVDF電活性晶自組裝行為，利用熔融沉積成型3D打印取向技術(shù)剪切誘導(dǎo)MMT填料模板的定向排列，改善了復(fù)合材料壓縮塑性形變，并實(shí)現(xiàn)平行于應(yīng)力方向的界面鎖定極化（圖1）。進(jìn)一步通過(guò)構(gòu)建蛇形機(jī)械超材料單元的周期性排列結(jié)構(gòu)以精準(zhǔn)調(diào)控材料的應(yīng)力應(yīng)變行為，結(jié)果表明超材料單元的側(cè)向屈曲和擴(kuò)張行為賦予了3D打印壓電器件反常規(guī)的負(fù)泊松比力學(xué)特性，即器件在拉伸應(yīng)變下橫縱向同時(shí)發(fā)生膨脹，實(shí)現(xiàn)了壓電器件對(duì)皮膚等復(fù)雜曲面的良好貼合和自適應(yīng)，有望解決常規(guī)穿戴式傳感器嚴(yán)重限制皮膚自由運(yùn)動(dòng)的缺陷。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)揭示器件受蛇形超材料單元操縱的機(jī)電耦合理論，開發(fā)了具備可編程設(shè)計(jì)、自決策等特性的先進(jìn)壓電納米發(fā)電機(jī)（圖2）。研制的超材料電子皮膚極大拓展了PVDF基壓電材料的設(shè)計(jì)空間，展現(xiàn)了運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)、手語(yǔ)傳譯等一系列智能可穿戴應(yīng)用前景（圖3）。
該工作以“3D Printing of PVDF-Based Piezoelectric Nanogenerator from Programmable Metamaterial Design: Promising Strategy for Flexible Electronic Skin”為題發(fā)表在《Nano Energy》期刊上。文章第一作者為四川大學(xué)博士研究生裴浩然，通訊作者為陳英紅教授。
圖1 3D打印PVDF基納米復(fù)合材料的界面鎖定極化可視化
圖2 超材料壓電器件展現(xiàn)高度可調(diào)諧的機(jī)電耦合特性
圖3 電子皮膚智能傳感應(yīng)用
該工作是團(tuán)隊(duì)關(guān)于3D打印PVDF基壓電納米發(fā)電機(jī)的最新研究進(jìn)展之一。壓電納米發(fā)電機(jī)的輸出能力不僅與所選用的材料特性相關(guān)，還強(qiáng)烈依賴于器件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。3D打印技術(shù)為制備形狀/結(jié)構(gòu)復(fù)雜的壓電器件提供了很好的解決方案。過(guò)去的兩年中，團(tuán)隊(duì)通過(guò)熔融沉積成型3D打印技術(shù)發(fā)展了基于多孔支架（Composites Part B 2021,225,109312）、仿生魚鱗Kirigami結(jié)構(gòu)（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022,14,15346）的壓電器件，探索了相關(guān)結(jié)構(gòu)-性能構(gòu)效關(guān)系，拓寬了高分子材料3D打印加工的研究領(lǐng)域和應(yīng)用前景。
京公網(wǎng)安備11010802046783號(hào)
