克服压电聚合物复合材料的限制

该研究由沉阳博士(清华大学材料科学与工程学院新型陶瓷与精细加工国家重点实验室)领导。该团队报告了一种高度可拉伸/可压缩的压电复合材料，由铁电陶瓷骨架、弹性体基体和陶瓷/基体界面上的弛豫铁电基混合体作为介电过渡层组成，表现出每伏250皮米的巨压电系数、65%的高机电耦合系数k eff和高 50%压缩应变下的循环稳定性。优异的柔韧性和压电性能归因于陶瓷骨架形成的电极化和机械载荷传递路径，以及介电过渡层减轻陶瓷填料和弹性体基体之间的介电失配。这些聚合物复合材料的超高压压电特性和卓越的灵活性的协同融合有望推动柔性智能电子产品的新兴应用。

Newnham 等人率先提出了压电复合材料。20世纪70年代初期，压电陶瓷填料以球体或纤维的形式引入到聚合物基体中，以制造“0-3”复合材料(“0”意味着陶瓷填料在整个聚合物基体的任何维度上都没有以连续路径连接，而“3”意味着聚合物基体在所有3个维度上都连接。铁电陶瓷和聚合物之间介电常数的巨大差异导致填料/基体界面处的电极化不连续，并形成屏蔽的双电层。陶瓷填料的介电响应。介电差异还导致聚合物基体中局部电场的严重集中，因此大大降低了铁电陶瓷填料中的局部电场，从而损害了复合材料的整体压电响应。此外，陶瓷和聚合物之间弹性模量的巨大差异也导致聚合物基体中局部应力场的集中。因此，机械负载可能无法有效地传递到陶瓷填料以引起高压响应。

清华大学团队提出了一种组合方法，可以同时解决介电和机械失配问题，并获得具有巨压电性能的可拉伸聚合物复合材料。研究人员首先将 PZT 颗粒组装成聚二甲基硅氧烷 (PDMS) 聚合物基质内的互连骨架，形成“3-3”型复合材料，其中 PZT 和 PDMS 形成全局网络。然后，我们使用薄弛豫铁电聚合物层、聚偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯(P(VDF-TrFE-CFE)，三元共聚物)和碳纳米管(CNT)来调节PZT骨架(表示为“3-3-3”和CNT@“3-3-3”复合材料)中的局部电场分布。研究人员证明，这种组合方法使可拉伸聚合物复合材料具有创纪录的高压特性。此外，复合材料表现出非常低的声阻抗，约为 3 MRayl，比 PZT 陶瓷低一个数量级，考虑到陶瓷换能器中复杂的声阻抗匹配层，有利于超声换能器的设计。

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