航空学院邵丽华教授与向锦武院士和邢誉峰教授合作在《Science Advances》发表挠曲电效应研究最新成果

点击数:    |    加入时间:2023-01-16

北航新闻网1月16日电(通讯员 王天瑜)近日,航空科学与工程学院固体力学研究所邵丽华教授与向锦武院士和邢誉峰教授合作在Science Advances发表了题为“A flexoelectricity-enabled ultrahigh piezoelectric effect of a polymeric composite foam as a strain-gradient electric generator”的研究论文,报道了关于超高挠曲电效应的最新研究成果。航空学院博士研究生闫东泽同学为第一作者,邵丽华教授为唯一通讯作者,北京航空航天大学为第一和唯一通讯单位。

邵丽华教授团队在前期的工作中,基于无序多孔结构在外力作用下其内部韧带会发生弯曲变形的力学机制,以及在轻质多孔材料力电耦合性能研究方向的丰富经验,发现了聚合物多孔结构可以实现超高的挠曲电输出,并建立了多孔结构的挠曲电效应理论模型,系统地揭示了多孔材料挠曲电响应的力学和物理机制。

近日,该课题组与合作者通过设计复合材料提高等效挠曲电系数、优化多孔结构韧带的长细比、设计压-扭耦合变形模式增加应变梯度,以及布置多个感应电极收集电荷等方案,制备了钛酸铜钙(CCTO)纳米颗粒填充聚二甲基硅氧烷(PDMS)多孔复合材料,实现了多孔材料在宏观尺度上更高的挠曲电输出:多孔复合材料的比质量挠曲电流输出比已报道的实体基体材料高10,000倍,其等效表观压电系数超过无铅压电陶瓷,并可与具有最高压电系数的含铅压电陶瓷媲美;比密度等效压电系数超出常用压电陶瓷PZT的120倍、压电聚合物-PVDF的380倍;复合泡沫在100万次循环变形下,力学性能和挠曲电输出依然稳定;提出了“应变梯度发电机(Strain-Gradient Electric Generator, SGG)”的概念,将此材料制成鞋垫、以及填充在一个球壳中,分别通过正常行走和摇动球壳产生电流,可为手机、蓝牙耳机充电,以及点亮LED灯。纳米颗粒填充PDMS多孔复合材料具有柔性、轻质、高效的特点,既可以作为高灵敏度的全向力电耦合柔性传感器,又可作为一种轻质柔性应变梯度发电机,可以适应广泛的应用场景。

基于具有超高挠曲电效应的应变梯度发电机的性能及应用

该工作受到《Science Advances》多位审稿人的高度评价,认为:“通过巧妙的设计在无铅复合材料中实现极高的挠曲电输出是一项令人激动的最新成果”,“该工作首次展示了基于挠曲电的发电机的实际应用,在领域内是领先的”,“基于复合泡沫的应变梯度发电机的性能令人赞叹”,“具有等效压电效应的多孔材料的应用前景十分广阔”。

论文的合作者还包括北京大学王建祥教授。该研究得到了北京市杰出青年科学基金,以及国家自然科学基金的支持。邵丽华教授团队长期致力于固体力学领域轻质材料力电耦合力学的理论和实验研究,在该方向取得了一系列创新研究成果。

该论文的原文链接:http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adc8845

(审核:鲍蕊)

编辑:贾爱平


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