中國粉體網(wǎng)訊 賓州州立大學(xué)研究人員稱，與標(biāo)準(zhǔn)壓電復(fù)合材料相比，使用由柔性聚合物載體填充的壓電陶瓷泡沫，可以使標(biāo)準(zhǔn)壓電復(fù)合材料的力學(xué)性能和熱能收集能力提高10倍。
在尋找用少量能量便可運(yùn)行移動(dòng)電子設(shè)備和健康監(jiān)測傳感器的方法時(shí)，研究人員通常將硬陶瓷納米顆�；蚣{米纖維添加到柔軟、柔韌的聚合物載體中。聚合物具有較高的柔韌性，而壓電納米顆�？梢詫C(jī)械能轉(zhuǎn)化為電壓。但是這些材料的效率相對(duì)較低，因?yàn)榱W(xué)加載時(shí)，機(jī)械能在很大程度上被多數(shù)聚合物吸收，其中很小部分轉(zhuǎn)移到壓電納米顆粒上。雖然增加更多的陶瓷可以提高能源效率，但柔韌性又會(huì)降低。
賓夕法尼亞州立大學(xué)材料科學(xué)與工程教授王青說：“軟聚合物中的硬陶瓷就像水中的石頭，拍打水面時(shí)，很少有力量轉(zhuǎn)移到石頭上，我們稱之為應(yīng)變轉(zhuǎn)移能力�！�
大約三十年前，已故的賓夕法尼亞州材料科學(xué)家鮑勃•紐納姆提出了這樣一個(gè)概念：壓電填充材料的連通性決定了壓電效應(yīng)的效率。三維材料將比被他歸類為零維納米顆粒，一維納米纖維或二維薄膜的效率更高，因?yàn)闄C(jī)械能將直接通過三維材料傳輸而不是消散到聚合物基體中。
王說：“鮑勃紐納姆是壓電領(lǐng)域的傳奇人物，雖然陶瓷界的每個(gè)人都知道他的方法，但如何實(shí)現(xiàn)具有明確微觀三維結(jié)構(gòu)仍然是一個(gè)難題�！�
解決這個(gè)難題的關(guān)鍵成分原來就是一種可以在任何家居店購買的廉價(jià)聚氨酯泡沫塑料防塵片。片材上小均勻突起充當(dāng)形成壓電陶瓷微結(jié)構(gòu)的模板。研究人員將該陶瓷以溶液中的懸浮納米粒子的形式填充在聚氨酯片材上。當(dāng)模板和溶液被加熱到足夠高的溫度時(shí)，片材燃燒，而溶液結(jié)晶成具有均勻孔的固體3-D縮微泡沫。然后他們用聚合物填充陶瓷泡沫中的孔。
王先生說：“我們看到，這種3D復(fù)合材料在不同模式下具有更高的能量輸出，它可以拉伸、彎曲、按壓。與此同時(shí)，就算溫度梯度只有幾度，它也可以用作熱釋電能量收集器�！�
張素林是賓夕法尼亞州工程科學(xué)與力學(xué)教授，他也是在能源與環(huán)境科學(xué)期刊上發(fā)表文章的另一作者。張和他的學(xué)生負(fù)責(zé)模擬三維復(fù)合材料壓電性能的大量計(jì)算工作。
張說：“我們從理論上說明，因?yàn)榫酆衔锘w和壓電陶瓷剛度的差異，納米顆粒/納米纖維復(fù)合材料的壓電性能受到了很大的限制，但三維復(fù)合泡沫材料不受硬度的限制。這是復(fù)合材料之間的根本區(qū)別，而且也說明了這種新型3D復(fù)合材料是革命性創(chuàng)新，我們進(jìn)行的大量模擬進(jìn)一步證明了這一想法。”
目前，王和他的合作者正在尋找無鉛的、更環(huán)保的替代品來取代鉛-鋯-鈦酸鹽陶瓷。
王說：“這是一個(gè)常用的方法，也證明了Bob Newnham的工作理念。繼續(xù)進(jìn)行賓州州傳奇的工作并推動(dòng)這一領(lǐng)域的發(fā)展是件好事�！� 文章的另一作者張光祖說：“柔性三維互連壓電陶瓷泡沫基復(fù)合材料用于高效并發(fā)的力學(xué)加載以及熱能收集”，張光祖以前在王的團(tuán)隊(duì)，現(xiàn)在和張小組的博士生趙鵬在中國的華中科技大學(xué)。其他有貢獻(xiàn)的參與者有張小新，郭涵，趙天凱，張勇，常奎貞和江盛林。 （粉體網(wǎng)編輯整理/土豆兒）
