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  近日，上海交大材料學(xué)院金屬基復(fù)合材料國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室的郭益平教授和劉河洲教授課題組在超柔性納米發(fā)電復(fù)合材料領(lǐng)域取得的重要進(jìn)展，研究成果以 “Piezoelectric thin film on glass fiber fabric with structural hierarchy: An approach to high-performance, superflexible,cost-effective, and large-scale nanogenerators”為題，發(fā)表在國際著名學(xué)術(shù)期刊Nano Energy （SCI IF13.12）上。

  隨著智能設(shè)備（即自驅(qū)動(dòng)便攜式電子設(shè)備，多能量采集器和傳感器）的快速發(fā)展，旨在從環(huán)境中獲取能量的自供電納米發(fā)電/供電技術(shù)變得越來越重要和緊迫。壓電納米發(fā)電機(jī)由于其高效的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，重量輕，響應(yīng)快而成為研究熱點(diǎn)。壓電陶瓷及單晶具有超高的壓電效應(yīng)，但由于其本身的剛性和脆性所以并不能滿足柔性和可穿戴電子設(shè)備的設(shè)計(jì)要求。雖然有很多研究將壓電陶瓷粉體和聚合物進(jìn)行混合可以獲得超柔性，但是非連續(xù)相的壓電結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)導(dǎo)致低的能量收集效率。通過沉積壓電薄膜再轉(zhuǎn)移到柔性基底上雖然能夠保持很好的能量收集和保持一定的柔性，但是其工藝復(fù)雜、成本高不利于商業(yè)化大規(guī)模生產(chǎn)。因此設(shè)計(jì)和開發(fā)出一種超柔性且能高效地進(jìn)行能量收集并可實(shí)現(xiàn)大規(guī)模生產(chǎn)的壓電納米發(fā)電材料顯得尤為重要和具有挑戰(zhàn)性。

  本研究提出利用具有層次結(jié)構(gòu)的電子級(jí)玻璃纖維布材料體系為基底，通過浸漬的方法在其上沉積具有層次結(jié)構(gòu)的納米壓電發(fā)電材料。在所制備的壓電纖維布復(fù)合材料中，每根纖維表面都包裹了一層納米級(jí)厚度的PZT材料，每根纖維之間的PZT之間互相連接，形成了一種類似于玻璃纖維布的多層次結(jié)構(gòu)。電子級(jí)玻璃纖維布本身所具有的宏觀超柔性和微觀剛性給予了這種壓電纖維布具有高效的能量傳遞、轉(zhuǎn)換以及超柔性。而且這種壓電纖維布可以實(shí)現(xiàn)插指電極掩膜設(shè)計(jì)和上下柔性電極貼合封裝設(shè)計(jì)。比如，一塊3.5cm×1.5cm大小的納米壓電纖維布利用插指電極在標(biāo)準(zhǔn)測試下能夠產(chǎn)生～60 V和～500 nA的輸出。一個(gè)8cm×8cm大小的納米壓電纖維布利用超柔性的導(dǎo)電聚乙烯碳膜作為上下電極在模擬人體運(yùn)動(dòng)的情況下能夠輕易點(diǎn)亮20個(gè)商用綠色LED燈。

  同時(shí)，利用玻璃纖維布的微觀剛性，首次發(fā)現(xiàn)壓電納米發(fā)電機(jī)的形變與信號(hào)輸出之間呈線性關(guān)系，可望在柔性傳感領(lǐng)域獲得重要應(yīng)用。另外在這種多層級(jí)結(jié)構(gòu)的玻璃纖維布基底上沉積寬光譜吸收高壓電活性壓電材料還有望能夠同時(shí)收集光能、熱能和機(jī)械能。這項(xiàng)工作為制造高性能，超柔性，低成本的納米發(fā)電機(jī)及柔性傳感器提供了新的視角，可望在柔性可穿戴設(shè)備領(lǐng)域獲得應(yīng)用。

  論文共同第一作者為上海交通大學(xué)的碩士研究生賀思博和英國華威大學(xué)的董文博士后研究員，郭益平教授為論文的通訊作者，上海交通大學(xué)為第一單位完成。郭益平教授所帶領(lǐng)的智能與能源復(fù)合材料研究小組長期致力于鐵電/壓電功能復(fù)合材料，能源及催化材料的基礎(chǔ)和應(yīng)用研究，研究工作得到了國家自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目和面上項(xiàng)目（11474199和51332009）的資助。

  論文鏈接：https://doi.org/10.1016/j.nanoen.2019.03.025