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高等研究院董蜀湘课题组及其合作者在柔性压电共聚物纳米复合材料领域取得新进展

发布时间:2022-05-16 | 浏览次数:

可实现机械能和电能之间转换的压电材料广泛应用于集成微电子系统中。其中,锆钛酸铅(PZT)基陶瓷以及最新的铌酸钾钠(KNN)基无铅压电陶瓷等表现出优异的压电性能,但由于陶瓷的脆性、易碎等不足,在柔性电子器件制备与应用方面遇到许多困难。此外由于压电陶瓷制备过程中需要较高的温度,PZT陶瓷也难以集成到硅基微系统中。在这种情况下,有机聚合物聚偏氟乙烯(PVDF)材料更具吸引力。传统上,为了获得压电性,首先,需要对有机聚合物PVDF进行单轴拉伸,将PVDF聚合物中高分子α晶相转变为β晶相;其次,需要通过每毫米10万伏(105V/mm)的强电场对PVDF聚合物进行极化,使随机取向的分子偶极子沿电场方向取向排列,从而产生宏观压电效应。虽然PVDF的共聚物(PVDF-TrFE)具有较高含量的β相而无需经历单轴拉伸,但仍然需要高电压极化过程来产生有效的压电性;而高电压极化常常造成压电微机电系统制备过程中的电击穿。同样,静电纺丝制备的压电PVDF共聚物无需单轴拉伸,但也需要数千伏至上万伏的静电场实现电纺。并且,传统的压电微电子器件性能也依赖于制备方法。目前压电聚合物和集成器件制备主要依靠传统的流延制造技术,导致后处理过多,结构设计受限等问题。


近日,董蜀湘教授课题组及其合作者发展出无需高电压极化的压电有机聚合物(PVDF)纳米复合材料,并成功应用于“自供电发光触觉传感器”。该课题组提出了一种基于机械取向应力场制备压电聚合物PVDF纳米复合材料的新方法,无需传统的高电压极化。研究发现机械取向应力场可以诱导PVDF共聚物从无序、星状纳米晶,转变为有序、自极化的纤维链状纳米晶,无需任何高电压极化,就显示出同传统高电压极化后相当的压电与机电耦合性能。此外,利用多材料3D打印技术制造了一种7层自供电圆形压力传感器,并用于自供电压力传感器阵列。在动态压缩力作用下,该传感器显示出235 mV/kPa的高灵敏度和0.9mW/cm2的高功率密度,比传统高电压极化后的单层PVDF传感器的力-电灵敏度高了近8倍。最后,3D打印制备了自供电、可实时显示的发光触觉(3×3)传感器阵列,证实了其实际应用的可行性。该成果在线发表在《纳米能源》(Nano energy,影响因子:17.8,中科院一区TOP),题目为“A poling-free PVDF nanocomposite via mechanically directional stress field for self-powered pressure sensor application”。


(a) 有序链状纳米纤维;(b) 自供电圆形压力传感器的输出电压与压强的关系;(c) 自供电圆形压力传感器的功率密度与负载电阻的关系; (d) (3×3)实时发光触觉传感器阵列示意图; (e) 按下相应的触觉传感器时对应的LED灯亮的照片



文章DOI为:10.1016/j.nanoen.2022.107340


该成果第一作者是北京大学材料科学与工程学院博士生袁小婷,合作者包括深圳大学曹艳研究员等,董蜀湘教授为该论文的唯一通讯作者,深圳大学为通讯单位。


论文链接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107340