中國粉體網訊 賓州州立大學研究人員稱，與標準壓電復合材料相比，使用由柔性聚合物載體填充的壓電陶瓷泡沫，可以使標準壓電復合材料的力學性能和熱能收集能力提高10倍。
在尋找用少量能量便可運行移動電子設備和健康監測傳感器的方法時，研究人員通常將硬陶瓷納米顆粒或納米纖維添加到柔軟、柔韌的聚合物載體中。聚合物具有較高的柔韌性，而壓電納米顆粒可以將機械能轉化為電壓。但是這些材料的效率相對較低，因為力學加載時，機械能在很大程度上被多數聚合物吸收，其中很小部分轉移到壓電納米顆粒上。雖然增加更多的陶瓷可以提高能源效率，但柔韌性又會降低。
賓夕法尼亞州立大學材料科學與工程教授王青說：“軟聚合物中的硬陶瓷就像水中的石頭，拍打水面時，很少有力量轉移到石頭上，我們稱之為應變轉移能力。”
大約三十年前，已故的賓夕法尼亞州材料科學家鮑勃•紐納姆提出了這樣一個概念：壓電填充材料的連通性決定了壓電效應的效率。三維材料將比被他歸類為零維納米顆粒，一維納米纖維或二維薄膜的效率更高，因為機械能將直接通過三維材料傳輸而不是消散到聚合物基體中。
王說：“鮑勃紐納姆是壓電領域的傳奇人物，雖然陶瓷界的每個人都知道他的方法，但如何實現具有明確微觀三維結構仍然是一個難題。”
解決這個難題的關鍵成分原來就是一種可以在任何家居店購買的廉價聚氨酯泡沫塑料防塵片。片材上小均勻突起充當形成壓電陶瓷微結構的模板。研究人員將該陶瓷以溶液中的懸浮納米粒子的形式填充在聚氨酯片材上。當模板和溶液被加熱到足夠高的溫度時，片材燃燒，而溶液結晶成具有均勻孔的固體3-D縮微泡沫。然后他們用聚合物填充陶瓷泡沫中的孔。
王先生說：“我們看到，這種3D復合材料在不同模式下具有更高的能量輸出，它可以拉伸、彎曲、按壓。與此同時，就算溫度梯度只有幾度，它也可以用作熱釋電能量收集器。”
張素林是賓夕法尼亞州工程科學與力學教授，他也是在能源與環境科學期刊上發表文章的另一作者。張和他的學生負責模擬三維復合材料壓電性能的大量計算工作。
張說：“我們從理論上說明，因為聚合物基體和壓電陶瓷剛度的差異，納米顆粒/納米纖維復合材料的壓電性能受到了很大的限制，但三維復合泡沫材料不受硬度的限制。這是復合材料之間的根本區別，而且也說明了這種新型3D復合材料是革命性創新，我們進行的大量模擬進一步證明了這一想法。”
目前，王和他的合作者正在尋找無鉛的、更環保的替代品來取代鉛-鋯-鈦酸鹽陶瓷。
王說：“這是一個常用的方法，也證明了Bob Newnham的工作理念。繼續進行賓州州傳奇的工作并推動這一領域的發展是件好事。” 文章的另一作者張光祖說：“柔性三維互連壓電陶瓷泡沫基復合材料用于高效并發的力學加載以及熱能收集”，張光祖以前在王的團隊，現在和張小組的博士生趙鵬在中國的華中科技大學。其他有貢獻的參與者有張小新，郭涵，趙天凱，張勇，常奎貞和江盛林。 （粉體網編輯整理/土豆兒）
