深大董蜀湘团队与合作者 Mater. Today综述：3D打印柔性压电电子和实现功能多样化

来源： 高分子科技

柔性压电电子学是一门快速发展的新兴学科，涉及有机/无机功能材料、电子器件设计、及其集成制备，具备感知和能量采集功能，可满足个性化、可穿戴、物联网以及多功能需求。

近日，深圳大学高等研究院董蜀湘、慈鹏弘团队，以及北京大学青年教师袁小婷博士等，在国际材料领域顶刊《Materials Today》上发表综述文章，总结了他们在柔性压电电子和3D打印制备方面的最新研究成果，同时也概述了国内外学者在这一领域的最新研究进展，旨在比较全面的总结各种柔性压电材料、制备与器件应用，包括它们的晶体结构与分类、压电性能比较、压电效应产生起源、增强机制与方法，以及概述柔性压电电子的3D打印制备，讨论柔性电子器件在能量采集与感知方面的各种应用。

图1. 概述3D打印制备柔性压电电子，包括材料、结构设计，器件集成打印过程以及应用.

文章将柔性压电材料总结为两大类：（1）有机压电聚合物及其复合材料，（2）无机压电与高分子的复合材料。在压电性能增强机理方面，总结了材料改性方法，包括有机共聚物掺杂方法，诸如引入三氟乙烯、六氟丙烯、三氟氯乙烯等单体，引入空间位阻，来增强压电效应和机电耦合，或者增强铁电弛豫性；无机纳米材料掺杂方法，诸如铁电性、铁磁性、半导体纳米掺杂填料，以及导电性纳米材料掺杂等，引入极性或者电荷中心来强化压电效应。同时总结了压电复合材料制备过程中的电场效应、磁场效应，对诱导压电材料中压电晶相的转变、改善压电性能所产生的作用。

文章还概述了不同类型的柔性压电器件及其设计方法，总结了可用于柔性电子器件制备的各种3D打印技术，包括选择性立体光刻、喷墨打印、墨水直写打印和熔融沉积成型等，并分析了它们各自的优缺点。文章进一步讨论了3D打印柔性压电电子器件与功能多样化，以及在智能可穿戴电子、柔性电路、物联网和软体机器人等领域的典型应用实例。

图2 . (a) 激光立体光刻技术打印 (SLA) 的无线自感应拳击手套，(b) SLA制备的无铅压电陶瓷BaTiO3.

图3 . (a) 喷墨打印BaTiO3能量收集器, (b) 集成感应, 驱动和能量收集的PVDF-TrFE多功能平台。

图4 . (a) 通过直接墨水打印方法制备的高性能柔性压电纳米发电机, (b) 直接墨水挤出3D打印的BaTiO3功能陶瓷, (c)直接墨水挤出打印制备的橄榄球型多层能量收集器.

图5 . 应用于自供电感知.

图6 . 应用于智能穿戴.

图7 . 应用于生物医疗.

文章也介绍了课题组的最新发现：高能取向应力场可以诱导PVDF共聚物从无序、星状纳米晶，转变为有序、纤维链状纳米晶，并表现出自极化特征，无需后续的高电压极化，就显示出相当的压电与机电耦合特性。此外，介绍了多材料3D打印技术直接制造多层共聚物，获得了高达130 pC/N的压电系数；制备的柔性橄榄球结构压电电子，获得2.2倍、10倍更高的压电电压输出和电流输出。

文章最后展望了3D打印柔性压电电子的未来发展，探讨了进一步提高柔性材料压电性能、机电耦合效应的途径与策略；讨论了进一步改善3D打印柔性压电电子的工艺路径、器件结构设计与优化方法，以及拓展柔性压电电子的应用领域等。文章也指出了柔性压电电子的未来发展中可能遇到的挑战。

本综述文章介绍的知识和方法，以及提出的观点，希望对从事该领域的研究生、研究人员以及工程技术人员，提供参考性指导；也为智能社会的未来发展做出学术方面的贡献。

这一成果近期在线发表在《Materials Today》（影响因子：24.2，中科院一区，TOP期刊）上，题目为“A 3D-printing approach toward flexible piezoelectronics with function diversity”, doi: 10.1016/j.mattod.2023.08.023）。论文第一作者为北京大学工学院青年教师袁小婷博士，论文第二作者为深圳大学高等研究院2022级硕士生麦梓锋，董蜀湘教授和慈鹏弘研究员为本文共同通讯作者。

原文链接：
https://www.sciencedirect.com/sc ... i/S1369702123002791

董蜀湘教授团队长期致力于压电材料、磁电材料，以及压电微机电方面的研究。柔性压电电子是团队近几年发展的研究方向之一。课题组针对柔性功能电子器件及系统直接3D打印成型的需求，研发了3D打印制造中的核心部件，掌握3D打印浆料制备方法。设计制备的柔性压电电子器件，在微能源采集、自供电传感、物联网等领域中具有很大应用潜力。近几年在基于3D打印的柔性压电材料与器件领域取得了系列进展，发表了系列高水平文章，包括Energy & Environmental Science. 13 (1) (2020) 152-161; Nano Energy. 73 (2020) 104737; Nano Energy. 85 (2021) 105985.; Nano Energy. 98 (2022) 107340，等。