在航空航天、高端裝備等領(lǐng)域，力電耦合器件在高精度作動(dòng)、高靈敏度力學(xué)量傳感等方面發(fā)揮著極其重要的作用。隨著對(duì)作動(dòng)和傳感精度要求的不斷提高，以及服役環(huán)境、尤其是力學(xué)環(huán)境的復(fù)雜性，如何使上述器件兼具超高的力電耦合效應(yīng)和復(fù)雜的環(huán)境適應(yīng)性，是應(yīng)用過程中面臨的關(guān)鍵科學(xué)問題。
針對(duì)上述問題，西安交通大學(xué)徐明龍教授團(tuán)隊(duì)提出了一種基于柔性駐極體材料的超高等效壓電效應(yīng)薄膜設(shè)計(jì)和研制方法。如圖1A-C所示，團(tuán)隊(duì)利用由兩層氟化乙烯丙烯（FEP）和夾在其間的聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物（PVDF-TrFE）形成了三明治型的壓電駐極體復(fù)合薄膜結(jié)構(gòu)，并對(duì)夾心層進(jìn)行了圖案化設(shè)計(jì)，形成了具有宏觀尺度的孔隙結(jié)構(gòu)；在此基礎(chǔ)上，利用熱應(yīng)力過程在界面處形成更小尺度的褶皺，從而跨尺度地提升了凈電荷存儲(chǔ)的等效面積。再通過電極化使得這種褶皺設(shè)計(jì)的兩側(cè)存儲(chǔ)了異號(hào)的凈電荷，形成了等效的定向偶極子。因此，該駐極體材料受到力學(xué)載荷作用發(fā)生變形時(shí)，等效偶極矩的變化引發(fā)了局部電場(chǎng)變化，在外電路上產(chǎn)生了超高的等效壓電效應(yīng)。
圖1 柔性駐極體及其超高等效壓電效應(yīng)的設(shè)計(jì)思路和制備流程
經(jīng)過對(duì)孔隙尺度、預(yù)應(yīng)力、以及溫度變化等設(shè)計(jì)，使該駐極體的等效壓電系數(shù)達(dá)到了1.5×10?pC/N，是商業(yè)聚二偏氟乙烯（PVDF）材料的700倍以上，如圖2A所示。駐極體材料內(nèi)存儲(chǔ)的電荷隨時(shí)間、力學(xué)和溫度加載而發(fā)生的衰減不容忽視。經(jīng)研究，該駐極體材料的等效壓電系數(shù)在極化后7天左右完成衰減并趨于穩(wěn)定，其剩余等效壓電系數(shù)為初始極化值的70 % 左右，如圖2B所示。該駐極體等效壓電效應(yīng)的力學(xué)穩(wěn)定性如圖2C所示，加載8×10次后其等效壓電系數(shù)仍未發(fā)生明顯變化。溫度方面，通過對(duì)該駐極體施加1℃/min的溫度循環(huán)試驗(yàn)并檢測(cè)其等效壓電系數(shù)，得到如圖2D所示的結(jié)果，表明了一定的高溫適應(yīng)性。
圖2 等效壓電系數(shù)的調(diào)控過程和環(huán)境適應(yīng)性研究
由于具有超強(qiáng)的等效壓電效應(yīng)和優(yōu)秀的力學(xué)性能，該駐極體材料能夠在大變形測(cè)量、高靈敏度力學(xué)量檢測(cè)、生物力學(xué)量檢測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮重要價(jià)值。如圖3A所示，將該駐極體薄膜粘貼至柔性板表面并使其彎曲變形至40°左右，可看到在相同的幾何尺寸下，本研究對(duì)彎曲角度測(cè)量的靈敏度達(dá)到了1.893V/°，是商業(yè)壓電材料0.091V/°的20.8倍；在加速度測(cè)量方面，如圖3B所示，其靈敏度也達(dá)到了同尺寸商業(yè)材料的10倍多。此外，本研究還能夠?qū)Σ煌潭鹊那脫?、人體不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的脈搏、甚至樹葉掉落的載荷進(jìn)行精確測(cè)量，如圖3C-G所示。上述工作通過跨尺度設(shè)計(jì)褶皺實(shí)現(xiàn)了具有超高等效壓電效應(yīng)的柔性駐極體，其高靈敏度的力學(xué)載荷傳感能力，為生物醫(yī)療、微振動(dòng)測(cè)量和抑制等領(lǐng)域提供了新的解決方案。
圖3 應(yīng)用舉例和展示
該研究成果以《具有跨尺度孔隙設(shè)計(jì)的超靈敏等效壓電薄膜》（Ultra-sensitive piezoelectric-like film with designed cross-scale pores）為題發(fā)表在《科學(xué)進(jìn)展》（Science Advances）上，西安交通大學(xué)為唯一通訊單位。西安交通大學(xué)碩士研究生李一凡和西安交通大學(xué)副教授張舒文為論文共同第一作者，西安交通大學(xué)翟崇樸教授和徐明龍教授為論文通訊作者。本文得到國(guó)家自然科學(xué)基金（No. 12472186, 12202342）的資助。此外，本文還要感謝西安交通大學(xué)梁旭教授和西安交通大學(xué)分析測(cè)試中心在實(shí)驗(yàn)條件、實(shí)驗(yàn)操作等方面提供的支持和幫助。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt4003
