在基于聚合物薄膜的PENG上3D打印負(fù)泊松比

可穿戴電子系統(tǒng)的快速發(fā)展需要一種可從環(huán)境中獲取能量且無需頻繁充電的可持續(xù)能源。壓電聚合物薄膜具有柔性、良好的壓電性以及由于其固有的極化而不受環(huán)境影響的穩(wěn)定性能，是制造壓電納米發(fā)電機(jī)（PENG）以從環(huán)境中獲取機(jī)械能的理想候選材料。然而，由于分子極化和不可拉伸性，它們的應(yīng)用大多局限于基于3-3方向壓電效應(yīng)的受壓模式能量收集。

據(jù)麥姆斯咨詢報(bào)道，近日，新加坡南洋理工大學(xué)（Nanyang Technological University）、以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)（The Hebrew University of Jerusalem）等機(jī)構(gòu)的研究人員在Advanced Energy Materials期刊上發(fā)表了題為“3D Printed Auxetic Structure-Assisted Piezoelectric Energy Harvesting and Sensing”的論文。在這項(xiàng)研究工作中，通過在基于聚合物薄膜的PENG上3D打印負(fù)泊松比（auxetic）結(jié)構(gòu)，PENG的彎曲變形可以轉(zhuǎn)化為控制良好的面內(nèi)拉伸變形，從而實(shí)現(xiàn)3-1方向的壓電效應(yīng)。負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的synclastic效應(yīng)首次被應(yīng)用于柔性能量收集裝置，使之前尚未開發(fā)的薄膜彎曲變形成為一種有價(jià)值的能量收集裝置，并將PENG的彎曲輸出電壓提高到8.3倍。研究人員將負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)輔助的PENG安裝在人體的不同關(guān)節(jié)和軟體機(jī)器人手指上，以演示其感知彎曲角度并監(jiān)測(cè)運(yùn)動(dòng)的功能。

在力學(xué)超構(gòu)材料（metamaterials）中，負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，它可以實(shí)現(xiàn)天然材料中罕見的負(fù)泊松比。所有的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在柔性電子器件中的應(yīng)用都是利用其平面負(fù)泊松比特性，而負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)在離面彎曲中的獨(dú)特特性，即synclastic效應(yīng)，尚未得到充分利用。Synclastic效應(yīng)是通過在負(fù)泊松比材料彎曲時(shí)形成圓頂形的雙曲面而產(chǎn)生的（圖1a）。另一方面，均勻材料在彎曲作用下傾向于形成單一的曲面，而具有六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的材料傾向于形成馬鞍形表面（圖1b）。

圖1 synclastic和anticlastic效應(yīng)及auxetic-PENG器件的結(jié)構(gòu)示意圖

在這項(xiàng)研究中，利用負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的synclastic效應(yīng)，通過數(shù)字光處理（DLP）3D打印負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)，研究人員開發(fā)了一種可以在彎曲下以3-1模式發(fā)電的薄膜PENG（圖1c）。這種前所未有的方法使auxetic-PENG能夠在彎曲模式下獲取能量，而典型的基于壓電聚合物的薄膜PENG中是無法實(shí)現(xiàn)的。獨(dú)特的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)還能精確控制拉伸應(yīng)變，而不會(huì)產(chǎn)生任何過度拉伸。它可以作為監(jiān)測(cè)人體運(yùn)動(dòng)的彎曲運(yùn)動(dòng)傳感器。Auxetic-PENG的結(jié)構(gòu)（圖1d）由底部電極、壓電材料、頂部電極和負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)四層組成。打印的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)將引導(dǎo)壓電器件在彎曲作用下的面內(nèi)拉伸變形。

為了通過實(shí)驗(yàn)研究auxetic-PENG的synclastic效應(yīng)引起的彎曲模式能量收集，研究人員將樣品以懸臂彎曲方式彎曲，其中一端被固緊，另一端用線性電機(jī)以5 mm位移（樣品上的曲率為17 mm）推動(dòng)，測(cè)得產(chǎn)生的電壓為≈ 1 V（圖2a，紅線）。然后負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)被剝離，研究人員對(duì)沒有負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的M-BTO/P(VDF-TrFE)薄膜進(jìn)行同樣的測(cè)量，得到輸出電壓≈ 0.12 V（圖2a，藍(lán)色），比auxetic-PENG小0.88 V。為了找到器件的最佳工作狀態(tài)，將1 kΩ至1 GΩ的負(fù)載電阻與PENG并聯(lián)，然后在5 mm彎曲位移（17 mm曲率）和1.5 Hz頻率下測(cè)試輸出電壓和電流密度，如圖2c所示。輸出電壓隨負(fù)載電阻的增大而減小，輸出電流密度隨負(fù)載電阻的增大而增大。最大瞬時(shí)輸出功率密度由輸出電壓與輸出電流密度相乘得到，如圖2d所示。研究人員還對(duì)auxetic-PENG的傳感特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明，輸出電壓與彎曲位移成正比，與彎曲曲率成二次關(guān)系（圖2e）。輸出電壓和曲率之間的可預(yù)測(cè)關(guān)系表明它有成為傳感器的潛力。

圖2 auxetic-PENG的彎曲模式能量收集的實(shí)驗(yàn)研究

由于壓電薄膜上的面內(nèi)拉伸應(yīng)變是由附著的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的synclastic效應(yīng)引起的，因此負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的形狀因子會(huì)影響壓電薄膜上的面內(nèi)應(yīng)變的大小。為了研究負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)尺寸對(duì)壓電薄膜面內(nèi)應(yīng)變的影響，研究人員進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果如圖3所示。

圖3 仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了演示auxetic-PENG的可能應(yīng)用，在用橋式整流器整流后，負(fù)泊松比M-BTO/P(VDF-TrFE)樣品通過彎曲（5 mm位移，1.5 Hz頻率）為1 μF電容器供電（圖4a）。電容器在32秒內(nèi)充滿電，顯示了auxetic-PENG的能量收集功能。auxetic-PENG被安裝在柜門的外表面上，以演示作為可彎曲傳感器從門打開/關(guān)閉運(yùn)動(dòng)中收集能量，如圖4b-4d所示。auxetic-PENG還具有風(fēng)能收集的潛力，如圖4e、4f所示。利用auxetic-PENG的柔性和靈敏度，將其安裝在人體關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè)，可以感知人體的彎曲運(yùn)動(dòng)，從而成為一種自供電的生理監(jiān)測(cè)傳感器（圖4g）。由于其輸出穩(wěn)定性、通過synclastic效應(yīng)的彎曲信號(hào)放大、輕質(zhì)、柔順性和自供電特性，使其與摩擦電、壓阻和電容傳感器區(qū)別開來，auxetic-PENG也可以作為軟體機(jī)器人彎曲傳感器的一種有前途的選擇，如圖4h、4i所示。

圖4 auxetic-PENG的應(yīng)用演示

綜上所述，本研究開發(fā)了一種基于表面改性壓電陶瓷鈦酸鋇納米粒子（BTO NP）和P(VDF-TrFE)復(fù)合材料的負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)輔助壓電納米發(fā)電機(jī)（PENG）和傳感器。與未改性的BTO-NP/P(VDF-TrFE)的復(fù)合材料相比，甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯（TMSPM）改性BTO NP提高了復(fù)合材料的壓電性、鐵電性和介電常數(shù)，這是由于改性粒子在P(VDF-TrFE)基體中的分布更加均勻，增強(qiáng)了對(duì)BTO NP的力傳遞。研究人員首次利用負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的synclastic效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)了具有3-1方向壓電效應(yīng)的彎曲能量收集模式，而這在典型的非拉伸壓電聚合物薄膜能量收集器上是無法實(shí)現(xiàn)的。研究人員通過仿真和實(shí)驗(yàn)研究了負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)的尺寸因子，結(jié)果表明，結(jié)構(gòu)越精細(xì)，輸出越低。他們研究了負(fù)泊松比結(jié)構(gòu)形狀因子對(duì)彎曲能量收集的影響，為PENG的優(yōu)化和定制提供了指導(dǎo)。在應(yīng)用方面，這種auxetic-PENG既可用作能量收集器也可應(yīng)用于個(gè)人健康評(píng)估和醫(yī)學(xué)診斷的生理監(jiān)測(cè)的自供電傳感器。

審核編輯：劉清