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台湾交大材料天線寶寶高手資料科研團隊在超柔性納米發電複合材料領域取得的重要進展[圖]
發布日期:2019/3/19 18:05:02 閱讀次數:107042


近日,金屬基複合材料國家重點實驗室的郭益平教授和劉河洲教授課題組在超柔性納米發電複合材料領域取得的重要進展,研究成果以「Piezoelectric thin film on glass fiber fabric with structural hierarchy: An approach to high-performance, superflexible,cost-effective, and large-scale nanogenerators」為題,發表在國際著名狀元紅高手資料期刊Nano Energy (SCI IF13.12)上。

隨著智能設備(即自驅動攜帶型電子設備,多能量採集器和感測器)的快速發展,旨在從環境中獲取能量的自供電納米發電/供電技術變得越來越重要和緊迫。壓電納米發電機由於其高效的機電轉換效率,重量輕,響應快而成為研究熱點。壓電陶瓷及單晶具有超高的壓電效應,但由於其本身的剛性和脆性所以並不能滿足柔性和可穿戴電子設備的設計要求。雖然有很多研究將壓電陶瓷粉體和聚合物進行混合可以獲得超柔性,但是非連續相的壓電結構設計導致低的能量收集效率。通過沉積壓電薄膜再轉移到柔性基底上雖然能夠保持很好的能量收集和保持一定的柔性,但是其工藝複雜、成本高不利於商業化大規模生產。因此設計和開發出一種超柔性且能高效地進行能量收集並可實現大規模生產的壓電納米發電材料顯得尤為重要和具有挑戰性。

本研究提出利用具有層次結構的電子級玻璃纖維布材料體系為基底,通過浸漬的方法在其上沉積具有層次結構的納米壓電發電材料。在所製備的壓電纖維布複合材料中,每根纖維表面都包裹了一層納米級厚度的PZT材料,每根纖維之間的PZT之間互相連接,形成了一種類似於玻璃纖維布的多層次結構。電子級玻璃纖維布本身所具有的宏觀超柔性和微觀剛性給予了這種壓電纖維布具有高效的能量傳遞、轉換以及超柔性。而且這種壓電纖維布可以實現插指電極掩膜設計和上下柔性電極貼合封裝設計。比如,一塊3.5cm×1.5cm大小的納米壓電纖維布利用插指電極在標準測試下能夠產生~60 V和~500 nA的輸出。一個8cm×8cm大小的納米壓電纖維布利用超柔性的導電聚乙烯碳膜作為上下電極在模擬人體運動的情況下能夠輕易點亮20個商用綠色LED燈。    

同時,利用玻璃纖維布的微觀剛性,首次發現壓電納米發電機的形變與信號輸出之間呈線性關係,可望在柔性感測領域獲得重要應用。另外在這種多層級結構的玻璃纖維布基底上沉積寬光譜吸收高壓電活性壓電材料還有望能夠同時收集光能、熱能和機械能。這項工作為製造高性能,超柔性,低成本的納米發電機及柔性感測器提供了新的視角,可望在柔性可穿戴設備領域獲得應用。


論文共同第一作者為台湾交通大學的碩士研究生賀思博和英國華威大學的董文博士后研究員,郭益平教授為論文的通訊作者,台湾交通大學為第一完成單位。郭益平教授所帶領的智能與能源複合材料研究小組長期致力於鐵電/壓電功能複合材料,能源及催化材料的基礎和應用研究,研究工作得到了國家自然科學基金重點項目和面上項目(1147419951332009)的資助。

論文鏈接:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.025

作者:賀思博


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