创新压电复合技术, 柔性设备功率密度激增千倍！

【研究背景】

压电效应作为铁电材料的关键特性之一，因其在能量收集、传感器、变换器和催化等领域的广泛应用而备受关注。与传统的无机陶瓷压电材料（如钛酸钡和铅锆钛酸铅）相比，采用有机-无机杂化材料具有更好的柔性和兼容性。然而，这类材料也面临着如压电响应弱、相分离和应力分布不均等问题，这为其在实际应用中带来了挑战。

近日，来自浙江师范大学张毅、陆海峰、付大伟课题组合作在柔性压电材料的研究中取得了新进展。该团队设计并制备了一种多孔复合压电材料，通过将热塑性聚氨酯（TPU）与分子铁电材料TMCM-CdCl3结合，形成了具备优异性能的柔性压电复合体。利用COMSOL有限元分析，该研究揭示了多孔TPU的三维互连结构在机械能吸收方面的重要作用，从而显著提高了复合材料的功率密度、灵敏度和疲劳抗性。

研究结果显示，在周期性外部刺激下，含有50%分子铁电材料的柔性压电复合材料达到了103 V的输出电压、42 μA的电流和636.9 μW cm−2的功率密度。这一功率密度超过了聚偏二氟乙烯（PVDF）材料2000多倍，为有机-无机杂化分子铁电复合材料在柔性压电设备领域的应用开辟了新的可能性。

【表征解读】

本文通过Bruker D8 Advance Cu-K辐射X射线衍射仪（XRD）和场发射扫描电子显微镜（FE-SEM）对多孔压电复合材料和纯TMCM-CdCl3晶体进行了系统的表征，揭示了材料的晶体结构与微观形貌之间的关系。XRD图谱显示，复合材料中的TMCM-CdCl3保持了良好的结晶性，表明其在聚氨酯基体中的分散均匀性，这为后续的压电性能提供了基础。

针对多孔材料的结构特点，本文通过显微镜表征深入分析了材料的孔隙率及其分布情况，发现多孔结构显著提升了压电复合材料的机械能吸收能力和电气响应。FE-SEM图像显示，复合材料的孔隙结构形成了三维互连网络，这种结构不仅提高了材料的柔韧性，还增强了其在外部力作用下的稳定性。这些微观机理的探讨使我们获得了对材料性能提升的深入理解，并挖掘了有机-无机杂化材料在压电应用中的潜力。

在此基础上，通过高压极化装置对多孔复合材料进行极化，进而获得了显著的压电响应。实验结果表明，含有50% TMCM-CdCl3的复合材料在周期性外部刺激下，实现了高达636.9 μW/cm²的功率密度，这一结果远超传统聚偏二氟乙烯（PVDF）材料，为新型柔性压电设备的开发提供了新思路。

总之，经过XRD和FE-SEM等多种表征手段，本文深入分析了多孔压电复合材料的微观结构及其对压电性能的影响，进而成功制备出新型的有机-无机杂化压电材料。此研究成果不仅推动了柔性压电设备的进步，还为未来的材料设计与应用提供了重要的理论依据与实践参考。

本研究中柔性多孔压电材料的设计策略

参考文献：Luo, JQ., Lu, HF., Nie, YJ. et al. Porous flexible molecular-based piezoelectric composite achieves milliwatt output power density. Nat Commun 15, 8636 (2024). https://doi.org/10.1038/s41467-024-53031-9