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第一作者：Mengying Xie

通訊作者：Mengying Xie

通訊單位：英國巴斯大學

研究亮點：

1. 結合冷凍澆筑多孔鋯鈦酸鉛與聚合物，制備了壓電性能優異的結構型復合材料。

2. 基于此制作出了柔性自供電高性能壓力與剪切力傳感器。

近年來，柔性可穿戴電子設備受到廣泛關注。下一代便攜式移動電子設備更趨于輕便，柔性以及綠色環保。結合綠色能量采集技術實現自供電的電子設備非常適合下一代無線可穿戴設備，因為它能夠使移動設備在沒有外部電源的條件下持續工作，并且無需更換與管理電池。

在早前的研究中，壓電材料以及壓電復合材料就已經被直接用作自供電的應變，力以及加速度傳感器。盡管壓電陶瓷具有高壓電性能，但是陶瓷材料硬脆的本質使得它無法集成到柔性電子器件中。壓電復合材料由于兼具了聚合物的柔韌性以及壓電材料的壓電性能而受到廣泛關注。傳統壓電復合材料將微米納米級壓電陶瓷材料隨機分布在柔性聚合物中，陶瓷填料之間由于缺少連通性致使材料極化不足，繼而導致壓電性能下降。

此外，自供電傳感器廣泛應用于縱向 (d₃₃) 與橫向 (d₃₁) 方向應變，卻很少用于剪切力 (d₁₅) 傳感。相較于d₃₃和d₃₁, d₁₅模態下的壓電雖然性能更優，但剪切力傳感器需要電極垂直于極化方向，導致傳感器的設計與制造都很難實現。

有鑒于此，英國巴斯大學Chris Bowen課題組研究了柔性層狀結構壓電復合材料，并基于此實現了柔性自供電高性能壓力與剪切力傳感器。

圖1 TOC

研究人員利用冷凍澆筑制造技術以冰為模板制造出定向層狀多孔PZT結構，并結合3D打印技術將陶瓷簡易成型制成適用于不同傳感器的任意結構。由于低表面能，聚合物可滲入并且完全填充層狀結構形成結構化壓電聚合物復合材料。此結構化復合材料表現出高于致密PZT陶瓷的有效d₃₃-750pC/N。

研究表明這一壓電性能的提升并不來源于所加入的聚合物材料本身，而是來源于復合材料結構上的壓力與彎曲產生的共同效應。如下圖所示，此陶瓷聚合物結構復合材料做成的傳感器可至少彎曲至半徑8mm而壓電性能仍可維持≥89%。研究人員利用此復合材料制成三種不同模式的自供電傳感器，d₃₃，d₃₁，d₁₅。這些自供電傳感器在一系列應用得以展示，例如加速度，應變和觸摸傳感器。

圖2 多孔層狀PZT和PZT-PDMS復合材料的表征

圖3 傳感器柔性表征

圖4 d₃₃ 與d₁₅陣列于手指輕觸的響應

圖5 傳感器于加速度的響應

總之，本文展示了利用層狀多孔陶瓷與聚合物的高性能壓電復合材料制備的新型柔性和高活性自供電力傳感器陣列。這項工作擴展了冷凍澆筑的潛在應用，并為未來電子傳感器的制造提供了新的機會。

參考文獻：

Xie M, Zhang Y, Kra?ny M J, et al. Flexible and Active Self-Powered Pressure, Shear Sensors Based on Freeze Casting Ceramic-Polymer Composites[J]. Energy & Environmental Science, 2018.

DOI: 10.1039/C8EE01551A

https://pubs.rsc.org/en/content/articlehtml/2018/ee/c8ee01551a