中國電子元件行業(yè)協(xié)會
China Electronic Components Association
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)徐明龍教授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。如圖1A-C所示，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)。
圖1 柔性駐極體及其超高等效壓電效應(yīng)的設(shè)計思路和制備流程
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，如圖2A所示。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，如圖2B所示。該駐極體等效壓電效應(yīng)的力學(xué)穩(wěn)定性如圖2C所示，加載8× 103次后其等效壓電系數(shù)仍未發(fā)生明顯變化。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)，得到如圖2D所示的結(jié)果，表明了一定的高溫適應(yīng)性。
圖2 等效壓電系數(shù)的調(diào)控過程和環(huán)境適應(yīng)性研究
由于具有超強的等效壓電效應(yīng)和優(yōu)秀的力學(xué)性能，該駐極體材料能夠在大變形測量、高靈敏度力學(xué)量檢測、生物力學(xué)量檢測等領(lǐng)域發(fā)揮重要價值。如圖3A所示，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，如圖3B所示，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煌潭鹊那脫簟⑷梭w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，如圖3C-G所示。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。
圖3 應(yīng)用舉例和展示
該研究成果以《具有跨尺度孔隙設(shè)計的超靈敏等效壓電薄膜》（Ultra-sensitive piezoelectric-like film with designed cross-scale pores）為題發(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)翟崇樸教授和徐明龍教授為論文通訊作者。本文得到國家自然科學(xué)基金（No. 12472186, 12202342）的資助。此外，本文還要感謝西安交通大學(xué)梁旭教授和西安交通大學(xué)分析測試中心在實驗條件、實驗操作等方面提供的支持和幫助。
