傳統(tǒng)壓電材料可將機械能轉(zhuǎn)化為電能,對自供電系統(tǒng)中的能量收集和人機交互至關(guān)重要。但是傳統(tǒng)壓電材料的晶體結(jié)構(gòu)中電荷運動能力有限,產(chǎn)生的壓電電流較小,而基于離子壓電效應(yīng)的材料由于較高的離子電導(dǎo)率和均相結(jié)構(gòu),往往能夠產(chǎn)生較高的離子壓電電流,也具有更高的可拉伸性。然而,均相結(jié)構(gòu)通常會耗散應(yīng)力而不是集中應(yīng)力,使得其難以誘導(dǎo)局部電荷進行分離。這導(dǎo)致目前離子壓電材料在壓力下產(chǎn)生相對較低的電壓響應(yīng),限制了電壓增量而降低了變形期間的能量轉(zhuǎn)換效率。此外,基于水凝膠的離子壓電材料在集成到可拉伸的自供電系統(tǒng)中時還會面臨環(huán)境不穩(wěn)定性,需要復(fù)雜的封裝方法等問題。因此,亟需開發(fā)兼具高的電壓增量、離子電導(dǎo)、力學(xué)適應(yīng)性和環(huán)境穩(wěn)定性的離子壓電材料。
圖1.離子壓電彈性體含有中間相的微相分離結(jié)構(gòu)設(shè)計
圖2.離子壓電彈性體優(yōu)異的壓電性能
圖3.離子壓電彈性體壓電響應(yīng)過程中的離子相互作用機制
圖4.離子壓電彈性體的力學(xué)性能與綜合性能評估
圖5.用于人機交互的聲學(xué)感知、壓力映射和邏輯處理
由于具有高離子壓電反應(yīng)靈敏度,壓電彈性體可以感知和識別空間聲學(xué)信號,從而實現(xiàn)人機交互。當(dāng)離子壓電彈性體放置在距離揚聲器1cm處,每次播放A2音階,實時產(chǎn)生70 μV的電壓。這證明了它能感知微小聲波振動的能力。在噪聲環(huán)境下,壓電彈性體對不同的環(huán)境噪聲也會產(chǎn)生不同的電壓響應(yīng)。此外,通過利用壓力傳感和信號處理能力,壓電彈性體可以參與人與機器人之間的邏輯信息交互。進一步,壓電彈性體可以集成到觸覺感知陣列中,將壓力映射和邏輯處理能力結(jié)合在一起。
本研究通過利用微相分離和界面工程設(shè)計,有效解決了離子壓電材料在電學(xué)性能和力學(xué)性能之間固有的權(quán)衡問題。值得注意的是,當(dāng)這種彈性體集成到電路中時,可實現(xiàn)精準(zhǔn)的聲信號檢測和高靈敏度的時空壓力信號處理。有利于推動離子電子系統(tǒng)中高效能量收集轉(zhuǎn)換的進展以及相關(guān)領(lǐng)域的發(fā)展。
論文鏈接:https://doi.org/10.1002/adma.202313127
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