中国粉体网讯 宾州州立大学研究人员称，与标准压电复合材料相比，使用由柔性聚合物载体填充的压电陶瓷泡沫，可以使标准压电复合材料的力学性能和热能收集能力提高10倍。
在寻找用少量能量便可运行移动电子设备和健康监测传感器的方法时，研究人员通常将硬陶瓷纳米颗粒或纳米纤维添加到柔软、柔韧的聚合物载体中。聚合物具有较高的柔韧性，而压电纳米颗粒可以将机械能转化为电压。但是这些材料的效率相对较低，因为力学加载时，机械能在很大程度上被多数聚合物吸收，其中很小部分转移到压电纳米颗粒上。虽然增加更多的陶瓷可以提高能源效率，但柔韧性又会降低。
宾夕法尼亚州立大学材料科学与工程教授王青说：“软聚合物中的硬陶瓷就像水中的石头，拍打水面时，很少有力量转移到石头上，我们称之为应变转移能力。”
大约三十年前，已故的宾夕法尼亚州材料科学家鲍勃•纽纳姆提出了这样一个概念：压电填充材料的连通性决定了压电效应的效率。三维材料将比被他归类为零维纳米颗粒，一维纳米纤维或二维薄膜的效率更高，因为机械能将直接通过三维材料传输而不是消散到聚合物基体中。
王说：“鲍勃纽纳姆是压电领域的传奇人物，虽然陶瓷界的每个人都知道他的方法，但如何实现具有明确微观三维结构仍然是一个难题。”
解决这个难题的关键成分原来就是一种可以在任何家居店购买的廉价聚氨酯泡沫塑料防尘片。片材上小均匀突起充当形成压电陶瓷微结构的模板。研究人员将该陶瓷以溶液中的悬浮纳米粒子的形式填充在聚氨酯片材上。当模板和溶液被加热到足够高的温度时，片材燃烧，而溶液结晶成具有均匀孔的固体3-D缩微泡沫。然后他们用聚合物填充陶瓷泡沫中的孔。
王先生说：“我们看到，这种3D复合材料在不同模式下具有更高的能量输出，它可以拉伸、弯曲、按压。与此同时，就算温度梯度只有几度，它也可以用作热释电能量收集器。”
张素林是宾夕法尼亚州工程科学与力学教授，他也是在能源与环境科学期刊上发表文章的另一作者。张和他的学生负责模拟三维复合材料压电性能的大量计算工作。
张说：“我们从理论上说明，因为聚合物基体和压电陶瓷刚度的差异，纳米颗粒/纳米纤维复合材料的压电性能受到了很大的限制，但三维复合泡沫材料不受硬度的限制。这是复合材料之间的根本区别，而且也说明了这种新型3D复合材料是革命性创新，我们进行的大量模拟进一步证明了这一想法。”
目前，王和他的合作者正在寻找无铅的、更环保的替代品来取代铅-锆-钛酸盐陶瓷。
王说：“这是一个常用的方法，也证明了Bob Newnham的工作理念。继续进行宾州州传奇的工作并推动这一领域的发展是件好事。” 文章的另一作者张光祖说：“柔性三维互连压电陶瓷泡沫基复合材料用于高效并发的力学加载以及热能收集”，张光祖以前在王的团队，现在和张小组的博士生赵鹏在中国的华中科技大学。其他有贡献的参与者有张小新，郭涵，赵天凯，张勇，常奎贞和江盛林。 （粉体网编辑整理/土豆儿）
