2016年11月11日 星期五 09:15:33
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一种兼具柔性、透气性和高输出的压电陶瓷复合织物

发表时间:2021/8/2

随着科技的发展,可穿戴电子设备在生物医学等领域的应用越来越广泛,同时,人们对其舒适度和电池续航能力有了更高的要求。传统的压电陶瓷,如锆钛酸铅(PZT),具有很高的压电输出,但是刚度高、脆性大;而PVDF等压电聚合物虽然弹性模量较低,但压电性较弱。因此,将二者的优点结合发展柔性压电材料成为重要研究方向。



在此背景下,香港城市大学的研究团队基于模板辅助的溶胶-凝胶法,研发了一种柔性透气并具有高输出的三级结构压电陶瓷复合织物,其内部独特的多级结构能够有效强化机械性能。



该压电复合织物主体由PZT陶瓷骨架和P(VDF-TrFE)涂层组成,两侧再贴附铜网作为电极。与采用的织物模板类似,相互缠绕的亚毫米级多股陶瓷纤维构成了PZT陶瓷骨架,而组成陶瓷纤维束的微米级PZT纤维则是二级结构。包覆PZT陶瓷骨架的P(VDF-TrFE)薄膜为压电复合织物提供了更好的机械性能和压电性能。而内部独特的多级孔隙结构也使该织物具有良好的透气性,透气率高达45.1 mm/s。



相比于传统的压电复合材料,在机械性能方面,该压电复合织物具有更高的杨氏模量(0.35 GPa)、断裂强度、拉伸率、韧度(0.125 MJ/m3)及断裂能。在压电性能方面,该织物能够产生128 V的开路电压,足以同时点亮75盏LED。


压电陶瓷复合纤维的透气性及机械性能


为了评估该压电复合织物在人体运动监测和能量收集中的潜在应用,研究人员将其作为鞋垫垫于鞋底,从而将人体行走产生的能量转换为电信号。将其用于计步器时,在2min内成功记录了63步,同时将其显示在手机屏幕上;将其用作能量收集装置时,在36s的踩踏过程中,电容器中存储的电压增加到3.1 V。而存储在电容器中的能量可进一步用于为电子表供电,使其连续工作16s。

该研究设计多级结构和制造功能性压电陶瓷织物的概念为提高传统压电材料的压电性能提供了新的思路,同时,其更注重透气性、压电性、柔性和韧性方面均衡性的策略进一步促进了功能材料在可穿戴设备和柔性电子产品中的应用。

相关研究成果以“Hierarchically Interconnected Piezoceramic Textile with a Balanced Performance in Piezoelectricity,Flexibility,Toughness and Air Permeability”为题发表在Advanced Functional Materials上。


(来源:纺织导报官微)