一種兼具柔性、透氣性和高輸出的壓電陶瓷復(fù)合織物

隨著科技的發(fā)展，可穿戴電子設(shè)備在生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，同時(shí)，人們對(duì)其舒適度和電池續(xù)航能力有了更高的要求。傳統(tǒng)的壓電陶瓷，如鋯鈦酸鉛（PZT），具有很高的壓電輸出，但是剛度高、脆性大；而PVDF等壓電聚合物雖然彈性模量較低，但壓電性較弱。因此，將二者的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合發(fā)展柔性壓電材料成為重要研究方向。

在此背景下，香港城市大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)基于模板輔助的溶膠-凝膠法，研發(fā)了一種柔性透氣并具有高輸出的三級(jí)結(jié)構(gòu)壓電陶瓷復(fù)合織物，其內(nèi)部獨(dú)特的多級(jí)結(jié)構(gòu)能夠有效強(qiáng)化機(jī)械性能。

該壓電復(fù)合織物主體由PZT陶瓷骨架和P（VDF-TrFE）涂層組成，兩側(cè)再貼附銅網(wǎng)作為電極。與采用的織物模板類(lèi)似，相互纏繞的亞毫米級(jí)多股陶瓷纖維構(gòu)成了PZT陶瓷骨架，而組成陶瓷纖維束的微米級(jí)PZT纖維則是二級(jí)結(jié)構(gòu)。包覆PZT陶瓷骨架的P（VDFTrFE）薄膜為壓電復(fù)合織物提供了更好的機(jī)械性能和壓電性能。而內(nèi)部獨(dú)特的多級(jí)孔隙結(jié)構(gòu)也使該織物具有良好的透氣性，透氣率高達(dá)45.1mm/s。

相比于傳統(tǒng)的壓電復(fù)合材料，在機(jī)械性能方面，該壓電復(fù)合織物具有更高的楊氏模量（0.35GPa）、斷裂強(qiáng)度、拉伸率、韌度（0.125MJ/m3）及斷裂能。在壓電性能方面，該織物能夠產(chǎn)生128V的開(kāi)路電壓，足以同時(shí)點(diǎn)亮75盞LED。

為了評(píng)估該壓電復(fù)合織物在人體運(yùn)動(dòng)監(jiān)測(cè)和能量收集中的潛在應(yīng)用，研究人員將其作為鞋墊墊于鞋底，從而將人體行走產(chǎn)生的能量轉(zhuǎn)換為電信號(hào)。將其用于計(jì)步器時(shí)，在2min內(nèi)成功記錄了63步，同時(shí)將其顯示在手機(jī)屏幕上；將其用作能量收集裝置時(shí)，在36s的踩踏過(guò)程中，電容器中存儲(chǔ)的電壓增加到3.1V。而存儲(chǔ)在電容器中的能量可進(jìn)一步用于為電子表供電，使其連續(xù)工作16s。

該研究設(shè)計(jì)多級(jí)結(jié)構(gòu)和制造功能性壓電陶瓷織物的概念為提高傳統(tǒng)壓電材料的壓電性能提供了新的思路，同時(shí)，其更注重透氣性、壓電性、柔性和韌性方面均衡性的策略進(jìn)一步促進(jìn)了功能材料在可穿戴設(shè)備和柔性電子產(chǎn)品中的應(yīng)用。

相關(guān)研究成果以“Hierarchically Interconnected Piezoceramic Textile with a Balanced Performance in Piezoelectricity，F(xiàn)lexibility，Toughness and Air Permeability”為題發(fā)表在Advanced Functional Materials上。