上交大在超柔性纳米发电复合材料领域取得重要进展

近日，上海交通大学金属基复合材料国家重点实验室的郭益平教授和刘河洲教授课题组在超柔性纳米发电复合材料领域取得的重要进展，研究成果以 “Piezoelectric thin film on glass fiber fabric with structural hierarchy: An approach to high-performance, superflexible,cost-effective, and large-scale nanogenerators” 为题，发表在国际著名学术期刊 Nano Energy (SCI IF13.12) 上。

随着智能设备（即自驱动便携式电子设备，多能量采集器和传感器）的快速发展，旨在从环境中获取能量的自供电纳米发电 / 供电技术变得越来越重要和紧迫。压电纳米发电机由于其高效的机电转换效率，重量轻，响应快而成为研究热点。压电陶瓷及单晶具有超高的压电效应，但由于其本身的刚性和脆性所以并不能满足柔性和可穿戴电子设备的设计要求。虽然有很多研究将压电陶瓷粉体和聚合物进行混合可以获得超柔性，但是非连续相的压电结构设计导致低的能量收集效率。通过沉积压电薄膜再转移到柔性基底上虽然能够保持很好的能量收集和保持一定的柔性，但是其工艺复杂、成本高不利于商业化大规模生产。因此设计和开发出一种超柔性且能高效地进行能量收集并可实现大规模生产的压电纳米发电材料显得尤为重要和具有挑战性。

本研究提出利用具有层次结构的电子级玻璃纤维布材料体系为基底，通过浸渍的方法在其上沉积具有层次结构的纳米压电发电材料。在所制备的压电纤维布复合材料中，每根纤维表面都包裹了一层纳米级厚度的 PZT 材料，每根纤维之间的 PZT 之间互相连接，形成了一种类似于玻璃纤维布的多层次结构。电子级玻璃纤维布本身所具有的宏观超柔性和微观刚性给予了这种压电纤维布具有高效的能量传递、转换以及超柔性。而且这种压电纤维布可以实现插指电极掩膜设计和上下柔性电极贴合封装设计。比如，一块 3.5cm×1.5cm 大小的纳米压电纤维布利用插指电极在标准测试下能够产生～ 60 V 和～ 500 nA 的输出。一个 8cm×8cm 大小的纳米压电纤维布利用超柔性的导电聚乙烯碳膜作为上下电极在模拟人体运动的情况下能够轻易点亮 20 个商用绿色 LED 灯。

同时，利用玻璃纤维布的微观刚性，首次发现压电纳米发电机的形变与信号输出之间呈线性关系，可望在柔性传感领域获得重要应用。另外在这种多层级结构的玻璃纤维布基底上沉积宽光谱吸收高压电活性压电材料还有望能够同时收集光能、热能和机械能。这项工作为制造高性能，超柔性，低成本的纳米发电机及柔性传感器提供了新的视角，可望在柔性可穿戴设备领域获得应用。

论文共同第一作者为上海交通大学的硕士研究生贺思博和英国华威大学的董文博士后研究员，郭益平教授为论文的通讯作者，上海交通大学为第一单位完成。郭益平教授所带领的智能与能源复合材料研究小组长期致力于铁电 / 压电功能复合材料，能源及催化材料的基础和应用研究，研究工作得到了国家自然科学基金重点项目和面上项目（ 11474199 和 51332009 ）的资助。