基于3D打印負泊松比結(jié)構(gòu)的壓電能量收集和傳感

來源：MEMS

可穿戴電子系統(tǒng)的快速發(fā)展需要一種可從環(huán)境中獲取能量且無需頻繁充電的可持續(xù)能源,。壓電聚合物薄膜具有柔性、良好的壓電性以及由于其固有的極化而不受環(huán)境影響的穩(wěn)定性能,，是制造壓電納米發(fā)電機（PENG）以從環(huán)境中獲取機械能的理想候選材料,。然而，由于分子極化和不可拉伸性,，它們的應(yīng)用大多局限于基于3-3方向壓電效應(yīng)的受壓模式能量收集,。

近日，新加坡南洋理工大學(xué)（Nanyang Technological University）,、以色列耶路撒冷希伯來大學(xué)（The Hebrew University of Jerusalem）等機構(gòu)的研究人員在Advanced Energy Materials期刊上發(fā)表了題為“3D Printed Auxetic Structure-Assisted Piezoelectric Energy Harvesting and Sensing”的論文,。在這項研究工作中，通過在基于聚合物薄膜的PENG上3D打印負泊松比（auxetic）結(jié)構(gòu),，PENG的彎曲變形可以轉(zhuǎn)化為控制良好的面內(nèi)拉伸變形,，從而實現(xiàn)3-1方向的壓電效應(yīng)。負泊松比結(jié)構(gòu)的synclastic效應(yīng)首次被應(yīng)用于柔性能量收集裝置,，使之前尚未開發(fā)的薄膜彎曲變形成為一種有價值的能量收集裝置,，并將PENG的彎曲輸出電壓提高到8.3倍。研究人員將負泊松比結(jié)構(gòu)輔助的PENG安裝在人體的不同關(guān)節(jié)和軟體機器人手指上,，以演示其感知彎曲角度并監(jiān)測運動的功能,。

在力學(xué)超構(gòu)材料（metamaterials）中，負泊松比結(jié)構(gòu)是應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)設(shè)計,，它可以實現(xiàn)天然材料中罕見的負泊松比,。所有的負泊松比結(jié)構(gòu)在柔性電子器件中的應(yīng)用都是利用其平面負泊松比特性，而負泊松比結(jié)構(gòu)在離面彎曲中的獨特特性,，即synclastic效應(yīng),，尚未得到充分利用。Synclastic效應(yīng)是通過在負泊松比材料彎曲時形成圓頂形的雙曲面而產(chǎn)生的（圖1a）,。另一方面,，均勻材料在彎曲作用下傾向于形成單一的曲面,，而具有六邊形蜂窩結(jié)構(gòu)的材料傾向于形成馬鞍形表面（圖1b）,。

圖1 synclastic和anticlastic效應(yīng)及auxetic-PENG器件的結(jié)構(gòu)示意圖

在這項研究中，利用負泊松比結(jié)構(gòu)的synclastic效應(yīng),，通過數(shù)字光處理（DLP）3D打印負泊松比結(jié)構(gòu),，研究人員開發(fā)了一種可以在彎曲下以3-1模式發(fā)電的薄膜PENG（圖1c）。這種前所未有的方法使auxetic-PENG能夠在彎曲模式下獲取能量,，而典型的基于壓電聚合物的薄膜PENG中是無法實現(xiàn)的,。獨特的負泊松比結(jié)構(gòu)還能精確控制拉伸應(yīng)變，而不會產(chǎn)生任何過度拉伸,。它可以作為監(jiān)測人體運動的彎曲運動傳感器,。Auxetic-PENG的結(jié)構(gòu)（圖1d）由底部電極,、壓電材料、頂部電極和負泊松比結(jié)構(gòu)四層組成,。打印的負泊松比結(jié)構(gòu)將引導(dǎo)壓電器件在彎曲作用下的面內(nèi)拉伸變形,。

為了通過實驗研究auxetic-PENG的synclastic效應(yīng)引起的彎曲模式能量收集，研究人員將樣品以懸臂彎曲方式彎曲,，其中一端被固緊,，另一端用線性電機以5 mm位移（樣品上的曲率為17 mm）推動，測得產(chǎn)生的電壓為≈ 1 V（圖2a,，紅線）,。然后負泊松比結(jié)構(gòu)被剝離，研究人員對沒有負泊松比結(jié)構(gòu)的M-BTO/P(VDF-TrFE)薄膜進行同樣的測量,，得到輸出電壓≈ 0.12 V（圖2a,，藍色），比auxetic-PENG小0.88 V,。為了找到器件的最佳工作狀態(tài),，將1 kΩ至1 GΩ的負載電阻與PENG并聯(lián)，然后在5 mm彎曲位移（17 mm曲率）和1.5 Hz頻率下測試輸出電壓和電流密度,，如圖2c所示,。輸出電壓隨負載電阻的增大而減小，輸出電流密度隨負載電阻的增大而增大,。最大瞬時輸出功率密度由輸出電壓與輸出電流密度相乘得到,，如圖2d所示。研究人員還對auxetic-PENG的傳感特性進行了研究,，結(jié)果表明,，輸出電壓與彎曲位移成正比，與彎曲曲率成二次關(guān)系（圖2e）,。輸出電壓和曲率之間的可預(yù)測關(guān)系表明它有成為傳感器的潛力,。

圖2 auxetic-PENG的彎曲模式能量收集的實驗研究

由于壓電薄膜上的面內(nèi)拉伸應(yīng)變是由附著的負泊松比結(jié)構(gòu)的synclastic效應(yīng)引起的，因此負泊松比結(jié)構(gòu)的形狀因子會影響壓電薄膜上的面內(nèi)應(yīng)變的大小,。為了研究負泊松比結(jié)構(gòu)尺寸對壓電薄膜面內(nèi)應(yīng)變的影響,，研究人員進行了仿真和實驗研究，結(jié)果如圖3所示,。

圖3 仿真和實驗結(jié)果

為了演示auxetic-PENG的可能應(yīng)用,，在用橋式整流器整流后，負泊松比M-BTO/P(VDF-TrFE)樣品通過彎曲（5 mm位移,，1.5 Hz頻率）為1 μF電容器供電（圖4a）,。電容器在32秒內(nèi)充滿電，顯示了auxetic-PENG的能量收集功能。auxetic-PENG被安裝在柜門的外表面上,，以演示作為可彎曲傳感器從門打開/關(guān)閉運動中收集能量,，如圖4b-4d所示。auxetic-PENG還具有風(fēng)能收集的潛力,，如圖4e,、4f所示。利用auxetic-PENG的柔性和靈敏度,，將其安裝在人體關(guān)節(jié)內(nèi)側(cè),，可以感知人體的彎曲運動，從而成為一種自供電的生理監(jiān)測傳感器（圖4g）,。由于其輸出穩(wěn)定性,、通過synclastic效應(yīng)的彎曲信號放大、輕質(zhì),、柔順性和自供電特性,，使其與摩擦電、壓阻和電容傳感器區(qū)別開來,，auxetic-PENG也可以作為軟體機器人彎曲傳感器的一種有前途的選擇,，如圖4h、4i所示,。

圖4 auxetic-PENG的應(yīng)用演示

綜上所述,，本研究開發(fā)了一種基于表面改性壓電陶瓷鈦酸鋇納米粒子（BTO NP）和P(VDF-TrFE)復(fù)合材料的負泊松比結(jié)構(gòu)輔助壓電納米發(fā)電機（PENG）和傳感器。與未改性的BTO-NP/P(VDF-TrFE)的復(fù)合材料相比,，甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯（TMSPM）改性BTO NP提高了復(fù)合材料的壓電性,、鐵電性和介電常數(shù)，這是由于改性粒子在P(VDF-TrFE)基體中的分布更加均勻,，增強了對BTO NP的力傳遞,。研究人員首次利用負泊松比結(jié)構(gòu)的synclastic效應(yīng)，實現(xiàn)了具有3-1方向壓電效應(yīng)的彎曲能量收集模式,，而這在典型的非拉伸壓電聚合物薄膜能量收集器上是無法實現(xiàn)的,。研究人員通過仿真和實驗研究了負泊松比結(jié)構(gòu)的尺寸因子，結(jié)果表明,，結(jié)構(gòu)越精細,，輸出越低。他們研究了負泊松比結(jié)構(gòu)形狀因子對彎曲能量收集的影響,，為PENG的優(yōu)化和定制提供了指導(dǎo),。在應(yīng)用方面,，這種auxetic-PENG既可用作能量收集器也可應(yīng)用于個人健康評估和醫(yī)學(xué)診斷的生理監(jiān)測的自供電傳感器,。

原文鏈接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202301159