基于3D打印負泊松比結構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，它們的應用大多局限于基于3-3方向壓電效應的受壓模式能量收集。

近日，新加坡南洋理工大學（Nanyang Technological University）、以色列耶路撒冷希伯來大學（The Hebrew University of Jerusalem）等機構的研究人員在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）結構，PENG的彎曲變形可以轉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。負泊松比結構的synclastic效應首次被應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構輔助的PENG安裝在人體的不同關節(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。

在力學超構材料（metamaterials）中，負泊松比結構是應用最廣泛的結構設計，它可以實現(xiàn)天然材料中罕見的負泊松比。所有的負泊松比結構在柔性電子器件中的應用都是利用其平面負泊松比特性，而負泊松比結構在離面彎曲中的獨特特性，即synclastic效應，尚未得到充分利用。Synclastic效應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構的材料傾向于形成馬鞍形表面（圖1b）。

圖1 synclastic和anticlastic效應及auxetic-PENG器件的結構示意圖

在這項研究中，利用負泊松比結構的synclastic效應，通過數(shù)字光處理（DLP）3D打印負泊松比結構，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。獨特的負泊松比結構還能精確控制拉伸應變，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的結構（圖1d）由底部電極、壓電材料、頂部電極和負泊松比結構四層組成。打印的負泊松比結構將引導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）。然后負泊松比結構被剝離，研究人員對沒有負泊松比結構的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，結果表明，輸出電壓與彎曲位移成正比，與彎曲曲率成二次關系（圖2e）。輸出電壓和曲率之間的可預測關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)拉伸應變是由附著的負泊松比結構的synclastic效應引起的，因此負泊松比結構的形狀因子會影響壓電薄膜上的面內(nèi)應變的大小。為了研究負泊松比結構尺寸對壓電薄膜面內(nèi)應變的影響，研究人員進行了仿真和實驗研究，結果如圖3所示。

圖3 仿真和實驗結果

為了演示auxetic-PENG的可能應用，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/關閉運動中收集能量，如圖4b-4d所示。auxetic-PENG還具有風能收集的潛力，如圖4e、4f所示。利用auxetic-PENG的柔性和靈敏度，將其安裝在人體關節(jié)內(nèi)側，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)復合材料的負泊松比結構輔助壓電納米發(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構的synclastic效應，實現(xiàn)了具有3-1方向壓電效應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構的尺寸因子，結果表明，結構越精細，輸出越低。他們研究了負泊松比結構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。在應用方面，這種auxetic-PENG既可用作能量收集器也可應用于個人健康評估和醫(yī)學診斷的生理監(jiān)測的自供電傳感器。

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