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柔性駐極體新材料將為生物醫(yī)療等領(lǐng)域提供新方案
作者：李媛      來源：中國科學(xué)報
山東拓普生物工程有限公司  http://www.jlkcpj.cn
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、高靈敏度力學(xué)量傳感等方面發(fā)揮著極其重要的作用。隨著對作動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。
針對上述問題，西安交通大學(xué)教授徐明龍團隊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)計和研制方法。研究成果發(fā)表在《科學(xué)進展》（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)教授翟崇樸和教授徐明龍為論文通訊作者。
團隊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)，并對夾心層進行了圖案化設(shè)計，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的等效面積。再通過電極化使得這種褶皺設(shè)計的兩側(cè)存儲了異號的凈電荷，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，等效偶極矩的變化引發(fā)了局部電場變化，在外電路上產(chǎn)生了超高的等效壓電效應(yīng)。
經(jīng)過對孔隙尺度、預(yù)應(yīng)力、以及溫度變化等設(shè)計，使該駐極體的等效壓電系數(shù)達到了1.5×10?pC/N，是商業(yè)聚二偏氟乙烯（PVDF）材料的700倍以上。駐極體材料內(nèi)存儲的電荷隨時間、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。溫度方面，通過對該駐極體施加1℃/min的溫度循環(huán)試驗并檢測其等效壓電系數(shù)，表明了一定的高溫適應(yīng)性。
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，本研究對彎曲角度測量的靈敏度達到了1.893V/°，是商業(yè)壓電材料0.091V/°的20.8倍；在加速度測量方面，其靈敏度也達到了同尺寸商業(yè)材料的10倍多。此外，本研究還能夠?qū)Σ煌�程度的敲擊、人體不同運動狀態(tài)下的脈搏、甚至樹葉掉落的載荷進行精確測量。上述工作通過跨尺度設(shè)計褶皺實現(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、微振動測量和抑制等領(lǐng)域提供了新的解決方案。
相關(guān)論文信息：https://doi.org/10.1126/sciadv.adt4003
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