1. 論文背景：
在生物系統(tǒng)中，將低頻和微弱的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能無時無刻地發(fā)生著，用于實現(xiàn)信號傳導(dǎo)或為其他功能單位提供電能，例如：神經(jīng)細(xì)胞、骨組織，電信號尤其重要，這種耗能極小但又可以有效感知或傳遞能量的方式十分高效，激發(fā)了類似能量轉(zhuǎn)換材料的開發(fā)和研究。其相關(guān)的壓電-介電耦合能量轉(zhuǎn)換，在人造材料和器件中也經(jīng)常發(fā)生，但對其發(fā)電特性和機(jī)理缺少系統(tǒng)研究。
2. 成果簡介：
最近，中國地質(zhì)大學(xué)（北京）材料學(xué)院佟望舒副教授（第一兼通訊作者）、安琪教授（通訊作者）以及張以河教授（通訊作者）共同研發(fā)了具有壓電-介電耦合現(xiàn)象的多孔薄膜，并建立耦合模型，在簡易模型中量化發(fā)電電壓和電能，并通過實驗結(jié)合仿真模擬驗證模型，系統(tǒng)研究壓電-介電耦合這一現(xiàn)象，有助于進(jìn)一步理解相關(guān)生物現(xiàn)象，以及激發(fā)相關(guān)能量轉(zhuǎn)換材料和器件的開發(fā)。該工作以“Enhanced Electricity Generation and Tunable Preservation in Porous Polymeric Materials via Coupled Piezoelectric and Dielectric Processes”發(fā)表在Advanced Materials。
3. 圖文導(dǎo)讀：
解析：在壓電聚合物中添加導(dǎo)電填料，當(dāng)?shù)陀跐B濾閾值時，能夠有效地將低頻機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能，產(chǎn)生的開路電壓在力撤去后逐漸降低為0，呈現(xiàn)壓電-介電耦合效應(yīng)。當(dāng)填料含量增加超過滲透閾值時，導(dǎo)電填料呈現(xiàn)屏蔽效果，無法進(jìn)行壓電-介電耦合。
解析：采用PVDF-HFP為壓電基體，碳黑為導(dǎo)電填料，引入多孔結(jié)構(gòu)，通過機(jī)械受力產(chǎn)生壓電電場誘導(dǎo)材料內(nèi)部的碳黑，實現(xiàn)碳黑極化，同時通過多孔結(jié)構(gòu)實現(xiàn)了材料受力過程中的結(jié)構(gòu)明顯變化，使得發(fā)電電壓放大和保持時間增長。
解析：形變帶來的厚度變化倍數(shù)是決定電壓增大倍數(shù)的關(guān)鍵因素之一，同時孔結(jié)構(gòu)阻斷導(dǎo)電通路，降低了極化電荷恢復(fù)速度，提升了電壓保持時間。在多孔薄膜變形的過程中，當(dāng)偶極子長度改變時，通過相反極化電荷之間的距離拉長，可以有效提升機(jī)械能到電能的轉(zhuǎn)化，進(jìn)一步提高開路電壓值和電能。
解析：團(tuán)隊利用壓電-介電耦合薄膜或壓電-感應(yīng)電荷耦合，已將其應(yīng)用在傳感、藥物釋放、活性分子控釋、表面拉曼增強(qiáng)、光催化增強(qiáng)以及發(fā)光等領(lǐng)域（Angew. Chem., Int. Ed. 2017, 56, 2649.,?Adv.?Funct. Mater. 2015, 25, 7029.,?Nano?Energy 2018, 53, 513.,?Small 2018, 14, 1802136.,?Nanoscale?2019, 11, 14372.,?Nanoscale?2018, 10, 5489.）
4. 小結(jié)：
該壓電-介電耦合的能量轉(zhuǎn)換在很多復(fù)合材料和自然系統(tǒng)中存在，該模型的建立希望有助于理解生物體系中已有的類似現(xiàn)象，同時激發(fā)新材料的設(shè)計和優(yōu)化，以適應(yīng)各種機(jī)械類型以及不同頻率力的刺激和作用，實現(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)化。
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