高性能柔性自供电压力与剪切力传感器！

谢梦莹

2018-07-24

第一作者：Mengying Xie

通讯作者：Mengying Xie

通讯单位：英国巴斯大学

研究亮点：

1. 结合冷冻浇筑多孔锆钛酸铅与聚合物，制备了压电性能优异的结构型复合材料。

2. 基于此制作出了柔性自供电高性能压力与剪切力传感器。

近年来，柔性可穿戴电子设备受到广泛关注。下一代便携式移动电子设备更趋于轻便，柔性以及绿色环保。结合绿色能量采集技术实现自供电的电子设备非常适合下一代无线可穿戴设备，因为它能够使移动设备在没有外部电源的条件下持续工作，并且无需更换与管理电池。

在早前的研究中，压电材料以及压电复合材料就已经被直接用作自供电的应变，力以及加速度传感器。尽管压电陶瓷具有高压电性能，但是陶瓷材料硬脆的本质使得它无法集成到柔性电子器件中。压电复合材料由于兼具了聚合物的柔韧性以及压电材料的压电性能而受到广泛关注。传统压电复合材料将微米纳米级压电陶瓷材料随机分布在柔性聚合物中，陶瓷填料之间由于缺少连通性致使材料极化不足，继而导致压电性能下降。

此外，自供电传感器广泛应用于纵向 (d₃₃) 与横向 (d₃₁) 方向应变，却很少用于剪切力 (d₁₅) 传感。相较于d₃₃和d₃₁, d₁₅模态下的压电虽然性能更优，但剪切力传感器需要电极垂直于极化方向，导致传感器的设计与制造都很难实现。

有鉴于此，英国巴斯大学Chris Bowen课题组研究了柔性层状结构压电复合材料，并基于此实现了柔性自供电高性能压力与剪切力传感器。

图1 TOC

研究人员利用冷冻浇筑制造技术以冰为模板制造出定向层状多孔PZT结构，并结合3D打印技术将陶瓷简易成型制成适用于不同传感器的任意结构。由于低表面能，聚合物可渗入并且完全填充层状结构形成结构化压电聚合物复合材料。此结构化复合材料表现出高于致密PZT陶瓷的有效d₃₃-750pC/N。

研究表明这一压电性能的提升并不来源于所加入的聚合物材料本身，而是来源于复合材料结构上的压力与弯曲产生的共同效应。如下图所示，此陶瓷聚合物结构复合材料做成的传感器可至少弯曲至半径8mm而压电性能仍可维持≥89%。研究人员利用此复合材料制成三种不同模式的自供电传感器，d₃₃，d₃₁，d₁₅。这些自供电传感器在一系列应用得以展示，例如加速度，应变和触摸传感器。

图2 多孔层状PZT和PZT-PDMS复合材料的表征

图3 传感器柔性表征

图4 d₃₃ 与d₁₅阵列于手指轻触的响应

图5 传感器于加速度的响应

总之，本文展示了利用层状多孔陶瓷与聚合物的高性能压电复合材料制备的新型柔性和高活性自供电力传感器阵列。这项工作扩展了冷冻浇筑的潜在应用，并为未来电子传感器的制造提供了新的机会。

参考文献：

Xie M, Zhang Y, Kraśny 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