基于3D打印负泊松比结构的压电能量收集和传感

来源：MEMS

可穿戴电子系统的快速发展需要一种可从环境中获取能量且无需频繁充电的可持续能源。压电聚合物薄膜具有柔性、良好的压电性以及由于其固有的极化而不受环境影响的稳定性能，是制造压电纳米发电机（PENG）以从环境中获取机械能的理想候选材料。然而，由于分子极化和不可拉伸性，它们的应用大多局限于基于3-3方向压电效应的受压模式能量收集。

近日，新加坡南洋理工大学（Nanyang Technological University）、以色列耶路撒冷希伯来大学（The Hebrew University of Jerusalem）等机构的研究人员在Advanced Energy Materials期刊上发表了题为“3D Printed Auxetic Structure-Assisted Piezoelectric Energy Harvesting and Sensing”的论文。在这项研究工作中，通过在基于聚合物薄膜的PENG上3D打印负泊松比（auxetic）结构，PENG的弯曲变形可以转化为控制良好的面内拉伸变形，从而实现3-1方向的压电效应。负泊松比结构的synclastic效应首次被应用于柔性能量收集装置，使之前尚未开发的薄膜弯曲变形成为一种有价值的能量收集装置，并将PENG的弯曲输出电压提高到8.3倍。研究人员将负泊松比结构辅助的PENG安装在人体的不同关节和软体机器人手指上，以演示其感知弯曲角度并监测运动的功能。

在力学超构材料（metamaterials）中，负泊松比结构是应用最广泛的结构设计，它可以实现天然材料中罕见的负泊松比。所有的负泊松比结构在柔性电子器件中的应用都是利用其平面负泊松比特性，而负泊松比结构在离面弯曲中的独特特性，即synclastic效应，尚未得到充分利用。Synclastic效应是通过在负泊松比材料弯曲时形成圆顶形的双曲面而产生的（图1a）。另一方面，均匀材料在弯曲作用下倾向于形成单一的曲面，而具有六边形蜂窝结构的材料倾向于形成马鞍形表面（图1b）。

图1 synclastic和anticlastic效应及auxetic-PENG器件的结构示意图

在这项研究中，利用负泊松比结构的synclastic效应，通过数字光处理（DLP）3D打印负泊松比结构，研究人员开发了一种可以在弯曲下以3-1模式发电的薄膜PENG（图1c）。这种前所未有的方法使auxetic-PENG能够在弯曲模式下获取能量，而典型的基于压电聚合物的薄膜PENG中是无法实现的。独特的负泊松比结构还能精确控制拉伸应变，而不会产生任何过度拉伸。它可以作为监测人体运动的弯曲运动传感器。Auxetic-PENG的结构（图1d）由底部电极、压电材料、顶部电极和负泊松比结构四层组成。打印的负泊松比结构将引导压电器件在弯曲作用下的面内拉伸变形。

为了通过实验研究auxetic-PENG的synclastic效应引起的弯曲模式能量收集，研究人员将样品以悬臂弯曲方式弯曲，其中一端被固紧，另一端用线性电机以5 mm位移（样品上的曲率为17 mm）推动，测得产生的电压为≈ 1 V（图2a，红线）。然后负泊松比结构被剥离，研究人员对没有负泊松比结构的M-BTO/P(VDF-TrFE)薄膜进行同样的测量，得到输出电压≈ 0.12 V（图2a，蓝色），比auxetic-PENG小0.88 V。为了找到器件的最佳工作状态，将1 kΩ至1 GΩ的负载电阻与PENG并联，然后在5 mm弯曲位移（17 mm曲率）和1.5 Hz频率下测试输出电压和电流密度，如图2c所示。输出电压随负载电阻的增大而减小，输出电流密度随负载电阻的增大而增大。最大瞬时输出功率密度由输出电压与输出电流密度相乘得到，如图2d所示。研究人员还对auxetic-PENG的传感特性进行了研究，结果表明，输出电压与弯曲位移成正比，与弯曲曲率成二次关系（图2e）。输出电压和曲率之间的可预测关系表明它有成为传感器的潜力。

图2 auxetic-PENG的弯曲模式能量收集的实验研究

由于压电薄膜上的面内拉伸应变是由附着的负泊松比结构的synclastic效应引起的，因此负泊松比结构的形状因子会影响压电薄膜上的面内应变的大小。为了研究负泊松比结构尺寸对压电薄膜面内应变的影响，研究人员进行了仿真和实验研究，结果如图3所示。

图3 仿真和实验结果

为了演示auxetic-PENG的可能应用，在用桥式整流器整流后，负泊松比M-BTO/P(VDF-TrFE)样品通过弯曲（5 mm位移，1.5 Hz频率）为1 μF电容器供电（图4a）。电容器在32秒内充满电，显示了auxetic-PENG的能量收集功能。auxetic-PENG被安装在柜门的外表面上，以演示作为可弯曲传感器从门打开/关闭运动中收集能量，如图4b-4d所示。auxetic-PENG还具有风能收集的潜力，如图4e、4f所示。利用auxetic-PENG的柔性和灵敏度，将其安装在人体关节内侧，可以感知人体的弯曲运动，从而成为一种自供电的生理监测传感器（图4g）。由于其输出稳定性、通过synclastic效应的弯曲信号放大、轻质、柔顺性和自供电特性，使其与摩擦电、压阻和电容传感器区别开来，auxetic-PENG也可以作为软体机器人弯曲传感器的一种有前途的选择，如图4h、4i所示。

图4 auxetic-PENG的应用演示

综上所述，本研究开发了一种基于表面改性压电陶瓷钛酸钡纳米粒子（BTO NP）和P(VDF-TrFE)复合材料的负泊松比结构辅助压电纳米发电机（PENG）和传感器。与未改性的BTO-NP/P(VDF-TrFE)的复合材料相比，甲基丙烯酸3-(三甲氧基甲硅烷基)丙酯（TMSPM）改性BTO NP提高了复合材料的压电性、铁电性和介电常数，这是由于改性粒子在P(VDF-TrFE)基体中的分布更加均匀，增强了对BTO NP的力传递。研究人员首次利用负泊松比结构的synclastic效应，实现了具有3-1方向压电效应的弯曲能量收集模式，而这在典型的非拉伸压电聚合物薄膜能量收集器上是无法实现的。研究人员通过仿真和实验研究了负泊松比结构的尺寸因子，结果表明，结构越精细，输出越低。他们研究了负泊松比结构形状因子对弯曲能量收集的影响，为PENG的优化和定制提供了指导。在应用方面，这种auxetic-PENG既可用作能量收集器也可应用于个人健康评估和医学诊断的生理监测的自供电传感器。

原文链接：
https://doi.org/10.1002/aenm.202301159