超越陶瓷的柔软压电复合材料 | NSR

以下文章来源于中国科学杂志社 ，作者《国家科学评论》

与压电陶瓷相比，压电复合材料兼具柔性与较低的声阻抗，在新型柔性电子器件方面具有重要的应用价值。长期以来，压电复合材料中存在着柔性与压电响应的倒置关系。复合材料压电性能的提升通常依赖于聚合物基体中陶瓷填料体积分数的提升，此时复合材料的机械柔性将发生恶化。同时，基于连通陶瓷结构的压电复合材料，如1-3、3-3型复合材料尽管具有较高的压电响应，但通常不具有弯曲或拉伸柔性。因此，开发兼具高压电响应与良好柔性的压电复合材料仍具有极大的挑战性。

针对目前压电复合材料研究中存在的上述科学问题，清华大学功能复合材料课题组通过复合材料结构设计与有机-无机界面调控相结合，在具有3-3-3连通性的压电复合材料中实现了高达250 pm V-1 的压电系数。同时，复合材料的压电性能可在高达50%的弹性变形循环下保持相对稳定。相关研究成果发表于《国家科学评论》（National Science Review, NSR），清华大学博士生汤童翔为论文第一作者，伍伦贡大学张树君教授、清华大学南策文教授与沈洋教授为论文通讯作者。

研究团队首先对不同连通性的压电复合材料极化性能与电场分布进行了表征。实验结果表明，聚合物基体中铁电相的连通诱导复合材料产生了铁电性。介电过渡层的引入则使3-3-3型复合材料的极化性能得到进一步提升。相场模拟结果表明，介电过渡层的构建使复合材料内部电场分布极大均匀化，促进了复合材料内部铁电相在外场作用下的极化翻转从而提高其电致应变响应。

压电复合材料结构-性能关联

低填料含量下连续的极化通路与应力传递通路的形成使3-3-3连通性的压电复合材料表现出了接近块体陶瓷的压电响应（250 pm V-1，120pC N-1）与优异的机械柔性。

压电复合材料的压电性能表征

力学试验表明该压电复合材料可在50%的大应变循环后完全回复而不发生显著的塑性变形。通过原位压缩试验，研究团队揭示了压电复合材料良好柔性的起源。低模量的聚合物基体对陶瓷骨架起到了良好的支持作用，而多孔骨架结构有效抑制了聚合物基体中裂纹的扩展，保证了复合材料在循环应变下的结构稳定性。

压电复合材料的力学性能

该研究解决了压电复合材料领域长期存在的压电性能与机械柔性的倒置关系，为制备高性能柔性换能器提供了一种全新的材料设计思路。

转自：“知社学术圈”微信公众号

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