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。

中國地質(zhì)大學(xué)佟望舒/安琪/張以河《AM》:多孔薄膜的壓電-介電耦合研究,實現(xiàn)發(fā)電性能提升

3. 圖文導(dǎo)讀:

中國地質(zhì)大學(xué)佟望舒/安琪/張以河《AM》:多孔薄膜的壓電-介電耦合研究,實現(xiàn)發(fā)電性能提升
圖1.?復(fù)合薄膜的壓電-介電耦合示意圖以及低于和高于滲流閾值時的開路電壓隨時間變化關(guān)系圖

 

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。

中國地質(zhì)大學(xué)佟望舒/安琪/張以河《AM》:多孔薄膜的壓電-介電耦合研究,實現(xiàn)發(fā)電性能提升
圖2.?多孔膜形貌及不同填料含量的多孔膜開路電壓

 

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。

中國地質(zhì)大學(xué)佟望舒/安琪/張以河《AM》:多孔薄膜的壓電-介電耦合研究,實現(xiàn)發(fā)電性能提升
圖3.?多孔薄膜形變過程中,當(dāng)偶極子長度改變時,壓電-介電耦合過程的示意圖

 

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。

中國地質(zhì)大學(xué)佟望舒/安琪/張以河《AM》:多孔薄膜的壓電-介電耦合研究,實現(xiàn)發(fā)電性能提升
圖4.?壓電-介電耦合薄膜及壓電-感應(yīng)電荷耦合的應(yīng)用

 

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。

 

全文鏈接:

https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202003087

微信
微信
電話 QQ
返回頂部