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  近日，國際權(quán)威雜志《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science影響因子29.518）在線刊發(fā)了華中科技大學(xué)光學(xué)與電子信息學(xué)院張光祖副教授最新研究成果《應(yīng)用于機(jī)械和熱能收集的具有三維聯(lián)通結(jié)構(gòu)的柔性壓電復(fù)合材料》（Flexible Three-Dimensional Interconnected Piezoelectric Ceramic Foam based Composites for Highly Efficient Thermo-Mechanical Energy Harvesting. DOI: 10.1039/c8ee00595h）。青年教師張光祖副教授為論文第一作者，華中科技大學(xué)“長江學(xué)者”講座教授王慶老師為通訊作者。研究與賓夕法尼亞州立大學(xué)工程科學(xué)與機(jī)械系Sulin Zhang教授（共同通訊作者）團(tuán)隊合作完成。

  能源問題是伴隨人類社會發(fā)展的永恒話題。如能通過柔性材料與器件將人體活動的機(jī)械能和人體周圍的熱能有效轉(zhuǎn)換成電能，將有望解決人體可植入醫(yī)療器件的供電問題，為健康事業(yè)的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。同時，柔性能量轉(zhuǎn)換材料與器件還可為可穿戴電子器件和智能電子設(shè)備（如手機(jī)、筆記本電腦等）提供電能，給我們的工作與生活帶來便利。鐵電材料特有的自發(fā)極化效應(yīng)使其集壓電和熱釋電性于一身，可單獨(dú)或同時將機(jī)械能和熱能轉(zhuǎn)換成電能，是重要的能量收集與轉(zhuǎn)換材料。無機(jī)鐵電材料（如鐵電陶瓷和單晶等）電學(xué)性能較好，卻不具柔性；鐵電聚合物等有機(jī)鐵電體柔性好，但能量轉(zhuǎn)換能力遠(yuǎn)不及無機(jī)鐵電體。為綜合兩種材料的優(yōu)勢，直覺告訴我們應(yīng)將無機(jī)鐵電材料作為顆粒填充物添加到柔性聚合物中，形成復(fù)合材料。這種方法雖然簡單，但效果欠佳。由于性能優(yōu)異的無機(jī)鐵電顆粒被柔軟且熱導(dǎo)率較低的有機(jī)材料包裹，外界施加的應(yīng)力和熱量較難快速有效地傳遞給填充物，致使復(fù)合材料的機(jī)械能和熱能轉(zhuǎn)換成電能的能力不理想。

  針對柔性能量收集材料與器件的這一難題，研究團(tuán)隊旨在打破了復(fù)合材料內(nèi)應(yīng)力和熱量傳遞法則，提出并設(shè)計了基于三維網(wǎng)狀聯(lián)通結(jié)構(gòu)的復(fù)合能量收集材料（圖1）。通過理論計算，研究團(tuán)隊發(fā)現(xiàn)，三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的機(jī)械應(yīng)力傳輸效率較普通復(fù)合材料高出4個數(shù)量級，且傳熱速度是普通復(fù)合材料的5倍，這意味著如能實(shí)現(xiàn)團(tuán)隊設(shè)計的三維網(wǎng)狀聯(lián)通結(jié)構(gòu)的復(fù)合能量收集材料的制備，傳統(tǒng)復(fù)合材料的應(yīng)力和熱傳導(dǎo)瓶頸將被突破，基于該材料的能量收集器件性能將取得重大進(jìn)展。

圖1  有限元計算的不同類型復(fù)合材料的應(yīng)力和壓電電勢分布圖。與顆粒復(fù)合材料（圖a-d）和納米線復(fù)合材料（圖i-h）等零維和一維復(fù)合材料相比，本文設(shè)計的三維網(wǎng)狀聯(lián)通復(fù)合材料（圖m-p）的應(yīng)力傳輸效率提升了4個數(shù)量級，其壓電能量轉(zhuǎn)換能力將得到顯著提高。

  然而，如何通過簡單、有效且成本低廉的方法實(shí)現(xiàn)三維網(wǎng)狀聯(lián)通結(jié)構(gòu)鐵電陶瓷的制備，再次成為困擾研究團(tuán)隊的一道難題�！胺浅Ｓ幸馑嫉氖牵`感來自于一次擦桌子”，張光祖副教授介紹。我們經(jīng)常用于擦窗戶和桌子等用到的海綿是由具有多孔結(jié)構(gòu)的聚氨酯構(gòu)成（圖2），該結(jié)構(gòu)的聚氨酯通過毛細(xì)作用具有理想的吸水效果�！拔覀兿氲饺绻煤＞d去吸陶瓷溶膠，待溶膠凝固成凝膠并經(jīng)高溫?zé)Y(jié)，有望制備具有和海綿類似的多孔鐵電陶瓷骨架”。經(jīng)過不懈努力，團(tuán)隊成功實(shí)現(xiàn)了這一構(gòu)想。以價格低廉的聚氨酯海綿作為模板，大面積制備了基于三維網(wǎng)狀聯(lián)通結(jié)構(gòu)鐵電陶瓷的柔性復(fù)合能量收集材料（圖3），并使材料的機(jī)械能和熱能轉(zhuǎn)換成電能的能力較傳統(tǒng)復(fù)合材料提升了8倍和4倍。研究為基于鐵電效應(yīng)的機(jī)械能和熱能能量收集材料與器件的研究、設(shè)計和制備提供了全新思路，對能源材料與器件領(lǐng)域的發(fā)展具有重要意義。

圖2 清潔用聚氨酯海綿照片及其微觀結(jié)構(gòu)

圖3 研究團(tuán)隊制備的柔性能量收集材料。（a）材料制備工藝示意圖；（b-e）具有三維網(wǎng)狀聯(lián)通結(jié)構(gòu)的壓電陶瓷微結(jié)構(gòu)圖和元素分布情況；（f）復(fù)合材料照片及其柔性情況。

  研究得到了國家自然科學(xué)基金面上（51772108, U1532146, 61675076）和聯(lián)合國家重點(diǎn)研發(fā)計劃（2016YFB0402705）項目的支持。

  論文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c8ee00595h#!divAbstract