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(shí)無刻地發(fā)生著,用于實(shí)現(xiàn)信號(hào)傳導(dǎo)或?yàn)槠渌δ軉挝惶峁╇娔?,例如:神?jīng)細(xì)胞、骨組織,電信號(hào)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(duì)其發(fā)電特性和機(jī)理缺少系統(tǒng)研究。
2. 成果簡(jiǎn)介:
最近,中國(guó)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(jiǎn)易模型中量化發(fā)電電壓和電能,并通過實(shí)驗(yàn)結(jié)合仿真模擬驗(yàn)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(shí),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(shí),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(chǎng)誘導(dǎo)材料內(nèi)部的碳黑,實(shí)現(xiàn)碳黑極化,同時(shí)通過多孔結(jié)構(gòu)實(shí)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(shí)間增長(zhǎng)。
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(shí)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(shí)間。在多孔薄膜變形的過程中,當(dāng)偶極子長(zhǎng)度改變時(shí),通過相反極化電荷之間的距離拉長(zhǎng),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(duì)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(shí)激發(fā)新材料的設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)高效的電能轉(zhuǎn)化。
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