香港城市大學楊征保課題組AFM：多級結構壓電陶瓷纖維，助力新型柔韌透氣織物

目前，可穿戴電子設備在生物醫學和智能電子等領域引起越來越多的關注。與此同時，對用戶舒適度和電池續航能力的需求促進了柔性換能器的研究。傳統的壓電陶瓷，如鋯鈦酸鉛 (PZT)，具有很高的壓電輸出，但是高剛度和脆性極大地限制了其在生物能量收集中的應用。另一方面，PVDF等壓電聚合物雖然彈性模量較低，但壓電性較弱。因此，發展柔性壓電材料的一種有效途徑是制備可以將二者優點結合的柔性壓電復合材料。

然而，目前的大多數研究都是改善壓電性或柔性等單一材料特性，而柔性電子設備則需要在兼顧壓電性、柔性、韌性和透氣性的同時實現一種均衡的性能。基于此，來自香港城市大學機械工程系的楊征保課題組研發了一種柔性透氣并具有高輸出的壓電陶瓷復合織物，其內部獨特的多級結構能夠有效強化其機械性能。相關研究成果以“Hierarchically Interconnected Piezoceramic Textile with a Balanced Performance in Piezoelectricity, Flexibility, Toughness and Air Permeability”為題在國際期刊Advanced?Functional Materials上發表（DOI: 10.1002/adfm.202104737）。港城大在讀博士洪穎為該論文第一作者，在讀博士王標為該論文共同第一作者，楊征保博士為論文通訊作者。

該研究團隊基于模板輔助的溶膠-凝膠法，在形成微米級陶瓷復合纖維的基礎上，進一步交織成亞毫米級的陶瓷纖維束，最終構建了一個具有三級結構的壓電陶瓷復合織物（圖1）。理論分析表明，這種多級結構有利于提高機械應變和應力梯度，從而進一步提高壓電復合材料的電壓輸出（圖2）。這種具有多級結構的壓電陶瓷織物能夠產生128 V的開路電壓，120 μA的短路電流，以及0.75 mW cm^-2的瞬時功率密度，遠高于之前報道的工作。更重要的是，這種壓電陶瓷織物展示出令人滿意的壓電性（d₃₃為190 pm V^-1）、透氣率（45.1 mm s^-1）、柔性（楊氏模量為0.35 GPa）和韌性（0.125 MJ m^-3）。這種更注重均衡性能的設計策略進一步促進了功能材料在可穿戴設備和柔性電子產品中的應用。

圖1?具有多級結構的壓電陶瓷復合織物示意圖及其應用

圖2?多級壓電復合纖維機械性能和壓電性能的仿真結果

圖3顯示了這種壓電復合織物的合成示意圖， 其主體由PZT陶瓷骨架和P（VDF-TrFE）涂層組成，兩側再貼附銅網作為電極。與采用的織物模板類似，相互纏繞的亞毫米級多股陶瓷纖維構成了 PZT 陶瓷骨架，而組成陶瓷纖維束的微米級 PZT 纖維則是二級結構。 包覆PZT陶瓷骨架的P(VDF-TrFE)薄膜不僅為壓電復合織物提供了更好的機械性能，而且本身也是壓電材料，進一步提高了其壓電性能。

圖3 壓電陶瓷復合織物的合成示意圖及相關表征

而這種壓電復合織物內部獨特的多級孔隙結構，也讓其具有良好的透氣性（圖4）。在機械性能方面，相比于傳統的壓電復合材料，這種壓電復合織物具有更高的楊氏模量，斷裂強度，拉伸率，韌度及斷裂能（圖4）。

圖4 壓電陶瓷復合纖維的透氣性及機械性能

在壓電性能方面，這種具有多級結構的壓電陶瓷織物能夠產生128 V的開路電壓，足以同時點亮75盞LED。在1MΩ的最佳匹配電阻下，能夠產生?0.75 mW cm^-2的瞬時功率密度，遠高于之前報道的工作（圖5）。

圖5 壓電復合織物的壓電性能

為了評估這種壓電復合織物在人體運動監測和能量收集中的潛在應用，研究人員將其作為鞋墊墊于鞋底，從而將人體行走產生的能量轉換為電信號。在此基礎上，研究人員構建了一種基于該種壓電復合織物的計步器，用于計算步行時的步數。在2分鐘內，該計步器成功記錄了63步，同時將其顯示在手機屏幕上。

視頻 1 基于壓電復合織物的計步器

此外，由這種壓電復合織物產生的電信號還可用于人運動時的能量收集。在36 s 的踩踏過程中，電容器中存儲的電壓增加到 3.1 V。而存儲在電容器中的能量可進一步用于為電子表供電，使其連續工作 16 秒。該實驗可充分證明開發的壓電復合織物能夠用作可穿戴或便攜式電子設備的電源，展示了其在生物能量收集和自供電設備中的潛在應用。

視頻2?基于壓電復合織物的能量采集裝置

小結

如上所述，該團隊報告了一種新的設計和制造策略，通過形成具有多級結構的壓電陶瓷復合織物來實現壓電復合材料的均衡性能。壓電陶瓷骨架與聚合物填料的結合以及三維互聯多級結構的設計有利于力的傳遞和緩解應力集中，大大提高了該復合材料的機械和壓電性能。這種設計多級結構和制造功能性壓電陶瓷織物的概念為提高傳統壓電材料的壓電性能提供了新的思路，而制備在透氣性、壓電性、柔性和韌性方面具有均衡性能的能量收集器的新策略也將促進可穿戴設備中柔性能量收集器的發展。

該論文的其他作者有龍之河、張卓敏、潘其其及劉世源，合作者為港城大助理教授駱小偉。本項目得到了國家自然科學基金（no. 11902282）和香港城市大學（no. 11212021、no. 21210619）的支持。

課題組網站：https://www.cityu.edu.hk/mne/stvl/

本文由作者投稿。