1. 清新电源首页
  2. 学术动态
  3. 博采百家
  4. 能源学人

生物诱导的三维连通多孔压电陶瓷材料

机械能的特点在于其不易受时间/地点的影响且在环境中广泛存在;基于压电效应收集机械能并用于驱动可穿戴电子设备在近年来备受国内外研究人员的关注。开发具有高功率密度的压电能量收集器件是目前本领域内的研究热点。然而,传统的机械共混工艺使得无机填料在高分子基体中大量团聚从而导致有效应力传递效率较低,因此极大限制了其电学响应。为了缓解这一问题,近期武汉理工大学陈文教授课题组与宾夕法尼亚州立大学Wang Qing教授团队合作开发了一种生物诱导的三维连通多孔压电陶瓷结构。以其作为活性材料制备的压电能量收集器件表现出优异的机械能量转换效率和功率密度。该文章发表在能源材料领域国际顶级期刊Journal of Materials Chemistry A (影响因子:9.931),武汉理工大学张勇博士为文章第一作者。

本文中首先采用相场模拟方法(Phase field simulation)对于三维连通和随机结构两种器件内部的平均应力和电势分布进行了计算(图1)。三维结构器件由于其独特的应力传递通道,从而表现出较高的机械强度,结果符合Banno unit cell经典模型,在12%的压缩应变下,两种结构内部的平均应力分别为-0.8 MPa和-0.18 MPa。同样,高的应变传递效率使得三维连通结构器件具有更强的压电电势(4倍于随机结构器件)。基于相场模拟的计算结果,采用多孔海绵作为模板结合溶胶凝胶法首先制备了三维连通的多孔压电陶瓷(三维连通结构陶瓷具有均匀有序的多孔形貌,如图2d所示);而后通过浇注高分子基体并充分交联形成有机-无机复合型压电能量收集器件。三维连通结构复合压电材料不仅具有良好的柔性,同时表现出较高的杨氏模量,表明其较强的应力传递效率。随机结构和三维连通结构器件的杨氏模量分别为~0.8 MPa和~2.5 MPa,如图3所示。图4中给出了三维结构压电能量收集器的主要电学性能指标。对于器件在压缩和拉伸两种模式下的应变特性进行表征,输出电压与应变良好的线性关系使其在应力-应变传感器领域有极大的应用前景,同时其具有良好的循环稳定性。开路输出电压,短路输出电流和功率密度分别高达~25 V,~550 nA和~2.6 μW/cm2。

生物诱导的三维连通多孔压电陶瓷材料

图1. (a)三维连通结构和随机结构器件的相场计算模型;(b,c)两种结构内部的平均应力分布和平均压电电势。

生物诱导的三维连通多孔压电陶瓷材料

图2.(a)三维连通结构压电复合材料的制备流程示意图,(b,c)TGA曲线和物相结构分析(XRD和Raman),(d,e)三维连通多孔压电陶瓷的FESEM图像和EDS面扫图谱。

生物诱导的三维连通多孔压电陶瓷材料

图3. 三维连通结构复合压电材料的(a)光学图谱,(b)断面FESEM图像,(c,d)力学性能(应力-应变曲线和杨氏模量),(e,f)工作机理和正反向测试结果。

生物诱导的三维连通多孔压电陶瓷材料

图4. 三维连通结构压电能量收集器在(a)压缩模式下的电压-应变曲线,(b)拉伸模式下的电压-应变曲线,(c)12%压缩应变下的开路输出电压和短路电流密度,(d)不同负载下的功率密度,(e)循环稳定性测试结果。

 

作者由自然界中最简单的多细胞有机体(海绵)启发创造性地提出三维连通多孔陶瓷的构筑方法,并将其首次用于机械能量收集领域。这种独特的三维连通结构赋予器件优异的力学特性和电学性能,结合相场模拟计算/经典Banno cell unit模型和实验表征揭示了其内在机理。

 

材料制备过程

三维连通结构:充分清洗和干燥的多孔海绵放置于0.5(Ba0.7Ca0.3)TiO3-0.5Ba(Zr0.2Ti0.8)O3压电前驱体溶胶中。取出后放置于60℃烘箱中去除多余溶剂,而后在高温炉中~1200℃烧结。在烧结过程中,多孔海绵模板逐渐烧蚀,而前驱体溶胶经过固相传质形成三维连通的多孔压电陶瓷。

三维连通结构复合压电材料:聚二甲基硅氧烷(polydimethylsiloxane elastomer,Sylgard 184 silicone kit)作为高分子基体。通过将主剂与交联剂按10:1 wt%配合后,在高真空度情况下均匀完全浇注到三维连通多孔陶瓷中,加热(~80℃)使高分子基体充分交联后形成有机-无机复合压电材料。

Yong Zhang, Chang Kyu Jeong, Jianjun Wang, Huajun Sun, FeiLi, Guangzu Zhang, Long-Qing Chen, Shujun Zhang, Wen Chen, Qing Wang, Flexible energy harvesting polymer composites based on biofibril-templated 3-dimensional interconnected piezoceramics, Nano Energy, 50 (2018), DOI: 10.1016/j.nanoen.2018.05.025

本文来自能源学人,转载旨在知识传播,本文观点不代表清新电源立场。 扫描页面右上角二维码关注微信公众号能源学人

发表评论

登录后才能评论