多级结构压电陶瓷纤维助力新型柔韧透气织物

可穿戴电子设备在生物医学和智能电子等领域引起越来越多的关注。然而，目前的大多数研究都是改善压电性或柔性等单一材料特性，而柔性电子设备则需要在兼顾压电性、柔性、韧性和透气性的同时实现一种均衡的性能。基于此，来自香港城市大学机械工程系的杨征保课题组研发了一种柔性透气并具有高输出的压电陶瓷复合织物，其内部独特的多级结构能够有效强化其机械性能。

该研究团队基于模板辅助的溶胶-凝胶法，在形成微米级陶瓷复合纤维的基础上，进一步交织成亚毫米级的陶瓷纤维束，最终构建了一个具有三级结构的压电陶瓷复合织物。理论分析表明，这种多级结构有利于提高机械应变和应力梯度，从而进一步提高压电复合材料的电压输出。这种具有多级结构的压电陶瓷织物能够产生128 V的开路电压，120 μA的短路电流，以及0.75 mW/cm2的瞬时功率密度。更重要的是，这种压电陶瓷织物展示出令人满意的压电性(压电常数(d33)为190 pm/V)、透气率(45.1为mm/s)、柔性(杨氏模量为0.35 GPa)和韧性(0.125 MJ/m3)。这种更注重均衡性能的设计策略进一步促进了功能材料在可穿戴设备和柔性电子产品中的应用。

这种压电复合织物主体由锆钛酸铅压电陶瓷(PZT)骨架和聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物(P(VDF-TrFE))涂层组成，两侧再贴附铜网作为电极。与采用的织物模板类似，相互缠绕的亚毫米级多股陶瓷纤维构成了PZT陶瓷骨架，而组成陶瓷纤维束的微米级PZT 纤维则是二级结构。包覆PZT陶瓷骨架的P(VDF-TrFE)薄膜不仅为压电复合织物提供了更好的机械性能，而且本身也是压电材料，进一步提高了其压电性能。

为了评估这种压电复合织物在人体运动监测和能量收集中的潜在应用，研究人员将其作为鞋垫垫于鞋底，从而将人体行走产生的能量转换为电信号。在此基础上，研究人员构建了一种基于该种压电复合织物的计步器，用于计算步行时的步数。在2 min内，该计步器成功记录了63步，同时将其显示在手机屏幕上。此外，由这种压电复合织物产生的电信号还可用于人运动时的能量收集。在36 s的踩踏过程中，电容器中存储的电压增加到3.1 V。而存储在电容器中的能量可进一步用于为电子表供电，使其连续工作16 s。该实验可充分证明开发的压电复合织物能够用作可穿戴或便携式电子设备的电源，展示了其在生物能量收集和自供电设备中的潜在应用。