香港城市大学杨征保课题组AFM：多级结构压电陶瓷纤维，助力新型柔韧透气织物
目前，可穿戴电子设备在生物医学和智能电子等领域引起越来越多的关注。与此同时，对用户舒适度和电池续航能力的需求促进了柔性换能器的研究。传统的压电陶瓷，如锆钛酸铅 (PZT)，具有很高的压电输出，但是高刚度和脆性极大地限制了其在生物能量收集中的应用。另一方面，PVDF等压电聚合物虽然弹性模量较低，但压电性较弱。因此，发展柔性压电材料的一种有效途径是制备可以将二者优点结合的柔性压电复合材料。
然而，目前的大多数研究都是改善压电性或柔性等单一材料特性，而柔性电子设备则需要在兼顾压电性、柔性、韧性和透气性的同时实现一种均衡的性能。基于此，来自香港城市大学机械工程系的杨征保课题组研发了一种柔性透气并具有高输出的压电陶瓷复合织物，其内部独特的多级结构能够有效强化其机械性能。相关研究成果以“Hierarchically Interconnected Piezoceramic Textile with a Balanced Performance in Piezoelectricity, Flexibility, Toughness and Air Permeability”为题在国际期刊Advanced Functional Materials上发表（DOI: 10.1002/adfm.202104737）。港城大在读博士洪颖为该论文第一作者，在读博士王标为该论文共同第一作者，杨征保博士为论文通讯作者。
该研究团队基于模板辅助的溶胶-凝胶法，在形成微米级陶瓷复合纤维的基础上，进一步交织成亚毫米级的陶瓷纤维束，最终构建了一个具有三级结构的压电陶瓷复合织物（图1）。理论分析表明，这种多级结构有利于提高机械应变和应力梯度，从而进一步提高压电复合材料的电压输出（图2）。这种具有多级结构的压电陶瓷织物能够产生128 V的开路电压，120 μA的短路电流，以及0.75 mW cm-2的瞬时功率密度，远高于之前报道的工作。更重要的是，这种压电陶瓷织物展示出令人满意的压电性（d33为190 pm V-1）、透气率（45.1 mm s-1）、柔性（杨氏模量为0.35 GPa）和韧性（0.125 MJ m-3）。这种更注重均衡性能的设计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。
图1 具有多级结构的压电陶瓷复合织物示意图及其应用
图2 多级压电复合纤维机械性能和压电性能的仿真结果
图3显示了这种压电复合织物的合成示意图， 其主体由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)薄膜不仅为压电复合织物提供了更好的机械性能，而且本身也是压电材料，进一步提高了其压电性能。
图3 压电陶瓷复合织物的合成示意图及相关表征
而这种压电复合织物内部独特的多级孔隙结构，也让其具有良好的透气性（图4）。在机械性能方面，相比于传统的压电复合材料，这种压电复合织物具有更高的杨氏模量，断裂强度，拉伸率，韧度及断裂能（图4）。
图4 压电陶瓷复合纤维的透气性及机械性能
在压电性能方面，这种具有多级结构的压电陶瓷织物能够产生128 V的开路电压，足以同时点亮75盏LED。在1MΩ的最佳匹配电阻下，能够产生 0.75 mW cm-2的瞬时功率密度，远高于之前报道的工作（图5）。
图5 压电复合织物的压电性能
为了评估这种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。在此基础上，研究人员构建了一种基于该种压电复合织物的计步器，用于计算步行时的步数。在2分钟内，该计步器成功记录了63步，同时将其显示在手机屏幕上。
视频 1 基于压电复合织物的计步器
此外，由这种压电复合织物产生的电信号还可用于人运动时的能量收集。在36 s 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 16 秒。该实验可充分证明开发的压电复合织物能够用作可穿戴或便携式电子设备的电源，展示了其在生物能量收集和自供电设备中的潜在应用。
视频2 基于压电复合织物的能量采集装置
如上所述，该团队报告了一种新的设计和制造策略，通过形成具有多级结构的压电陶瓷复合织物来实现压电复合材料的均衡性能。压电陶瓷骨架与聚合物填料的结合以及三维互联多级结构的设计有利于力的传递和缓解应力集中，大大提高了该复合材料的机械和压电性能。这种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，而制备在透气性、压电性、柔性和韧性方面具有均衡性能的能量收集器的新策略也将促进可穿戴设备中柔性能量收集器的发展。
该论文的其他作者有龙之河、张卓敏、潘其其及刘世源，合作者为港城大助理教授骆小伟。本项目得到了国家自然科学基金（no. 11902282）和香港城市大学（no. 11212021、no. 21210619）的支持。
课题组网站：https://www.cityu.edu.hk/mne/stvl/
本文由作者投稿。