傳感器能源供給問題是未來發(fā)展多功能電子產品的技術瓶頸。壓電材料可將環(huán)境中富余的機械能轉換為電能，使電子產品擺脫對傳統(tǒng)電池的依賴，是加快工業(yè)轉型升級的關鍵技術支撐。然而受材料模量和復雜結構的幾何約束限制，常規(guī)壓電制件環(huán)境自適應能力差，受力塑性變形顯著，嚴重制約其在可穿戴柔性電子領域發(fā)展。
近期，四川大學高分子材料工程國家重點實驗室陳英紅教授團隊報道了一種結合固相剪切碾磨和3D打印技術制備基于可編程機械超材料設計的聚偏氟乙烯（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打印取向技術剪切誘導MMT填料模板的定向排列，改善了復合材料壓縮塑性形變，并實現(xiàn)平行于應力方向的界面鎖定極化（圖1）。進一步通過構建蛇形機械超材料單元的周期性排列結構以精準調控材料的應力應變行為，結果表明超材料單元的側向屈曲和擴張行為賦予了3D打印壓電器件反常規(guī)的負泊松比力學特性，即器件在拉伸應變下橫縱向同時發(fā)生膨脹，實現(xiàn)了壓電器件對皮膚等復雜曲面的良好貼合和自適應，有望解決常規(guī)穿戴式傳感器嚴重限制皮膚自由運動的缺陷。在此基礎上，通過揭示器件受蛇形超材料單元操縱的機電耦合理論，開發(fā)了具備可編程設計、自決策等特性的先進壓電納米發(fā)電機（圖2）。研制的超材料電子皮膚極大拓展了PVDF基壓電材料的設計空間，展現(xiàn)了運動監(jiān)測、手語傳譯等一系列智能可穿戴應用前景（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)高度可調諧的機電耦合特性
圖3 電子皮膚智能傳感應用
該工作是團隊關于3D打印PVDF基壓電納米發(fā)電機的最新研究進展之一。壓電納米發(fā)電機的輸出能力不僅與所選用的材料特性相關，還強烈依賴于器件結構設計。3D打印技術為制備形狀/結構復雜的壓電器件提供了很好的解決方案。過去的兩年中，團隊通過熔融沉積成型3D打印技術發(fā)展了基于多孔支架（Composites Part B 2021,225,109312）、仿生魚鱗Kirigami結構（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022,14,15346）的壓電器件，探索了相關結構-性能構效關系，拓寬了高分子材料3D打印加工的研究領域和應用前景。
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