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灵活 高效的多模式能量收集

2019-03-23 11:18:07来源:

根据宾夕法尼亚州立大学研究人员的研究,使用由柔性聚合物支撑物支撑的压电陶瓷泡沫,可以比标准压电复合材料获得机械能和热能的能力提高10倍。

在寻找收集少量能量以运行移动电子设备或传感器以进行健康监测的方法时,研究人员通常将硬质陶瓷纳米颗粒或纳米线添加到柔软,柔韧的聚合物支撑物中。聚合物提供柔韧性,而压电纳米颗粒将机械能转换成电压。但是这些材料的效率相对较低,因为在机械加载时,机械能大部分被大部分聚合物吸收,非常小的部分转移到压电纳米颗粒。虽然添加更多的陶瓷可以提高能源效率,但需要降低灵活性。

“软质聚合物中的硬质陶瓷就像水中的石头,”宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授王庆说。“你可以拍打水面,但很少有力量转移到石头上。我们称之为应变传递能力。”

大约三十年前,已故的宾夕法尼亚州立大学材料科学家Bob Newnham提出了压电填料的连通性决定了压电效应的概念。三维材料比其归类为零维纳米粒子,一维纳米线或二维膜更有效,因为机械能直接通过三维材料传输而不是消散到聚合物基质中。

“Bob Newnham是压电领域的传奇,”王说。“所以陶瓷界的每个人都知道他的方法,但如何实现具有明确微观结构的三维结构仍然是一个谜。”

解决这个谜团的秘诀原来是一种便宜的聚氨酯泡沫除尘板,可以在任何家装店购买。片材上的小均匀突起用作形成压电陶瓷微结构的模板。研究人员将陶瓷以悬浮纳米颗粒的形式应用于聚氨酯片材中。当模板和溶液被加热到足够高的温度时,片材烧尽,溶液结晶成具有均匀孔的固体3-D缩微泡沫。然后,他们用聚合物填充陶瓷泡沫中的孔。

“我们看到这种三维复合材料在不同模式下的能量输出要高得多,”王说。“我们可以拉伸,弯曲,按压它。同时,如果温度梯度至少有几度,它可以用作热电能量收集器。”

宾夕法尼亚大学工程科学与力学教授张苏林是能源与环境科学论文的另一位作者。张和他的学生负责模拟三维复合材料压电性能的大量计算工作。

“我们能够从理论上证明纳米粒子/纳米线复合材料的压电性能受到聚合物基体和压电陶瓷刚度差异的严重限制,但三维复合泡沫不受刚度的限制,”张说。“这是这些复合材料之间的根本区别,它说明了这种新型三维复合材料的创新。我们广泛的模拟进一步证明了这一理念。”

目前,王和他的合作者正在研究目前铅 - 锆钛酸盐陶瓷的无铅和更环保的替代品。

“这是一种非常通用的方法,”王说。“这是为了展示这个概念,基于Bob Newnham的工作。继续宾夕法尼亚州的传奇工作并推进这一领域是件好事。” 在文章的其他作者,“对高效并行机械和热能收集灵活的三维互连的压电陶瓷泡沫基复合材料”,是共同第一作者Guangzu张,前身为王的研究小组,目前在华中科技大学,中国; 张鹏集团的博士生赵鹏。其他撰稿人包括张晓申,韩寒,赵天凯,张勇,张久贞和姜盛林。