根據(jù)賓夕法尼亞州立大學(xué)研究人員的研究，使用由柔性聚合物支撐物支撐的壓電陶瓷泡沫，可以比標(biāo)準(zhǔn)壓電復(fù)合材料獲得機械能和熱能的能力提高10倍。

在尋找收集少量能量以運行移動電子設(shè)備或傳感器以進(jìn)行健康監(jiān)測的方法時，研究人員通常將硬質(zhì)陶瓷納米顆粒或納米線添加到柔軟，柔韌的聚合物支撐物中。聚合物提供柔韌性，而壓電納米顆粒將機械能轉(zhuǎn)換成電壓。但是這些材料的效率相對較低，因為在機械加載時，機械能大部分被大部分聚合物吸收，非常小的部分轉(zhuǎn)移到壓電納米顆粒。雖然添加更多的陶瓷可以提高能源效率，但需要降低靈活性。

“軟質(zhì)聚合物中的硬質(zhì)陶瓷就像水中的石頭，”賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程教授王慶說。“你可以拍打水面，但很少有力量轉(zhuǎn)移到石頭上。我們稱之為應(yīng)變傳遞能力。”

大約三十年前，已故的賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)家Bob Newnham提出了壓電填料的連通性決定了壓電效應(yīng)的概念。三維材料比其歸類為零維納米粒子，一維納米線或二維膜更有效，因為機械能直接通過三維材料傳輸而不是消散到聚合物基質(zhì)中。

“Bob Newnham是壓電領(lǐng)域的傳奇，”王說。“所以陶瓷界的每個人都知道他的方法，但如何實現(xiàn)具有明確微觀結(jié)構(gòu)的三維結(jié)構(gòu)仍然是一個謎。”

解決這個謎團(tuán)的秘訣原來是一種便宜的聚氨酯泡沫除塵板，可以在任何家裝店購買。片材上的小均勻突起用作形成壓電陶瓷微結(jié)構(gòu)的模板。研究人員將陶瓷以懸浮納米顆粒的形式應(yīng)用于聚氨酯片材中。當(dāng)模板和溶液被加熱到足夠高的溫度時，片材燒盡，溶液結(jié)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。

“我們看到這種三維復(fù)合材料在不同模式下的能量輸出要高得多，”王說。“我們可以拉伸，彎曲，按壓它。同時，如果溫度梯度至少有幾度，它可以用作熱電能量收集器。”

賓夕法尼亞大學(xué)工程科學(xué)與力學(xué)教授張?zhí)K林是能源與環(huán)境科學(xué)論文的另一位作者。張和他的學(xué)生負(fù)責(zé)模擬三維復(fù)合材料壓電性能的大量計算工作。

“我們能夠從理論上證明納米粒子/納米線復(fù)合材料的壓電性能受到聚合物基體和壓電陶瓷剛度差異的嚴(yán)重限制，但三維復(fù)合泡沫不受剛度的限制，”張說。“這是這些復(fù)合材料之間的根本區(qū)別，它說明了這種新型三維復(fù)合材料的創(chuàng)新。我們廣泛的模擬進(jìn)一步證明了這一理念。”

目前，王和他的合作者正在研究目前鉛 - 鋯鈦酸鹽陶瓷的無鉛和更環(huán)保的替代品。

“這是一種非常通用的方法，”王說。“這是為了展示這個概念，基于Bob Newnham的工作。繼續(xù)賓夕法尼亞州的傳奇工作并推進(jìn)這一領(lǐng)域是件好事。” 在文章的其他作者，“對高效并行機械和熱能收集靈活的三維互連的壓電陶瓷泡沫基復(fù)合材料”，是共同第一作者Guangzu張，前身為王的研究小組，目前在華中科技大學(xué)，中國; 張鵬集團(tuán)的博士生趙鵬。其他撰稿人包括張曉申，韓寒，趙天凱，張勇，張久貞和姜盛林。