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北京大學(xué)在PVDF納米復(fù)合材料制備有新的突破
來(lái)源:https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2022.107340
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作者:雋思半導(dǎo)體設(shè)備部
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發(fā)布時(shí)間: 2022-05-26
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近日，北京大學(xué)董蜀湘教授課題組提出了一種基于機(jī)械取向應(yīng)力場(chǎng)制備壓電聚合物PVDF納米復(fù)合材料的新方法，無(wú)需傳統(tǒng)的高電壓極化。研究發(fā)現(xiàn)：機(jī)械取向應(yīng)力場(chǎng)可以誘導(dǎo)PVDF共聚物從無(wú)序、星狀納米晶，轉(zhuǎn)變?yōu)橛行颉⒆詷O化的纖維鏈狀納米晶，無(wú)需任何高電壓極化，就顯示出同傳統(tǒng)高電壓極化后相當(dāng)?shù)膲弘娕c機(jī)電耦合特性。此外，利用材料3D打印技術(shù)制造了一種7層自供電圓形壓力傳感器，并用于自供電壓力傳感器陣列。在動(dòng)態(tài)壓縮力作用下，該傳感器顯示出235 mV/kPa的高靈敏度和0.9 mW/cm2的高功率密度，比傳統(tǒng)高電壓極化后的單層PVDF傳感器的力-電靈敏度高了近8倍。最后，3D打印制備了自供電、可實(shí)時(shí)顯示的發(fā)光觸覺(jué)（3×3）傳感器陣列，證實(shí)了其實(shí)際應(yīng)用的可行性。
(a) 有序鏈狀納米纖維；(b) 自供電圓形壓力傳感器的輸出電壓與壓強(qiáng)的關(guān)系；(c) 自供電圓形壓力傳感器的功率密度與負(fù)載電阻的關(guān)系；(d) （3×3）實(shí)時(shí)發(fā)光觸覺(jué)傳感器陣列示意圖；(e) 按下相應(yīng)的觸覺(jué)傳感器時(shí)對(duì)應(yīng)的LED燈亮的照片
可實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和電能之間轉(zhuǎn)換的壓電材料廣泛應(yīng)用于集成微電子系統(tǒng)中。其中，鋯鈦酸鉛（PZT）基陶瓷以及最新的鈮酸鉀鈉（KNN）基無(wú)鉛壓電陶瓷等表現(xiàn)出優(yōu)異的壓電性能，但由于陶瓷的脆性、易碎等不足，在柔性電子器件制備與應(yīng)用方面遇到許多困難。此外由于壓電陶瓷制備過(guò)程中需要較高的溫度，PZT陶瓷也難以集成到硅基微系統(tǒng)中。在這種情況下，有機(jī)聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）材料更具吸引力。
該成果發(fā)表在《納米能源》（Nano energy），題目為“A poling-free PVDF nanocomposite via mechanically directional stress field for self-powered pressure sensor application”。該成果第一作者是北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生袁小婷，合作者包括深圳大學(xué)曹艷研究員，董蜀湘教授為該論文通訊作者。
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