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华中科技大学胡彬团队:静电组装透明层状压电体用于植入电子器件

 

       与压电陶瓷相比,压电高分子具有重量轻、柔韧性高、生物相容性好、声阻低等优点,目前已经应用于医疗健康领域,如可穿戴或可植入式生物电子器件。实现压电效应的必要条件是在高分子内产生偶极矩获得永久净极化,这不仅依赖于高分子内压电晶体畴或者分子偶极子的形成,同时也要求它们良好有序地排列。对于极性高分子,常采用伸展和撑持的方法来提高压电性能。然而,由于理想的分子排列结构较难获得,且极化步骤复杂,从而阻碍了压电高分子的商业化进程。
一些特定结构的非极性高分子也可以具有压电效应,比如基于驻极体材料的荷电网状压电高分子,相关研究已经证明了其在人体能量收集、健康监测、触觉感知等方面的潜在应用。对于网状压电高分子,可在空腔的两侧通过电晕或电极充电的方法引入相反电荷来充当偶极子。质量轻和柔韧性高的特性使得压电高分子在穿戴设备中纳米发电机和自发电传感器的应用上颇具潜力。与无孔高分子相比,网状高分子也有一些局限性,例如存在陷阱电荷损失和热不稳定性引起的寿命不确定性。此外,在实际生产中,如何精准控制腔体几何形状和内部电荷分布来获得均匀一致的谐振频率也是一个不小的挑战。鉴于以上压电高分子的局限性,华中科技大学胡彬团队开发了一种具有驻极体/电介质/驻极体(EDE)典型三明治结构的新型压电高分子,它兼具无孔极性高分子和网状非极性高分子的压电性能, 压电常数(d33)可达930pC N-1。相关研究成果已发表在Nano Energy, 题目为“Electrostatic Assembly of Laminated Transparent Piezoelectrets for Epidermal and Implantable Electronics”。
工作介绍
华中科技大学胡彬团队开发了一种通过静电相互作用组装具有三明治结构(驻极体/电介质/驻极体,EDE)的新型压电高分子,并建立了相关物理模型来考察影响其压电特性的主要因素:驻极体和电介质的相对介电常数和弹性模量。除聚乙烯醇(PVA)外,该研究还采用了具有不同相对介电常数和弹性模量的四种高分子作为EDE压电体中的电介质:聚酰亚胺(PI)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚偏二氟乙烯(PVDF)和聚丙烯腈(PAN)。结果表明,使用具有有较大弹性模量和较小相对介电常数的聚乙烯醇缩丁醛(PVB)作为电介质是该EDE压电体的最优设计,所得压电体的压电常数(d33)可达930pC N-1,该结果与理论模型一致。此外,由于具有无孔和无光散射畴壁均匀层状结构的特性,该EDE压电体的透明度在80%以上。该团队成功地证明了EDE压电体应用于表皮和植入式电子产品的可行性,如人体脉搏探测、热能收集、声音产生/探测、以及植入式超声波能量采集等。这项研究为质地柔软、质量轻且透明度高的静电组装压电高分子的应用做好了准备,进而可以向下一代柔性电子、可穿戴设备、可植入电子以及软系统中的纳米发电机等应用进军。

 
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