挠曲电效应是指材料在经受弯曲、扭转等非均匀变形时其反演对称性被应变梯度破坏，从而产生电极化的现象。挠曲电效应存在于所有介电材料中，如陶瓷、半导体、生物材料和聚合物等，且具有尺寸效应、不受居里温度限制、无需外加极化电压等特点。这些优异的品质使得挠曲电效应在传感器、制动器和能量收集等领域具有很好的应用前景。然而，在宏观尺度实现可实用的挠曲电输出是一个巨大挑战，因此，提高挠曲电输出是一个广受关注的前沿性科学课题。
近日，北京航空航天大学邵丽华教授和合作者通过设计复合材料提高挠曲电系数、优化多孔结构韧带的长细比、设计压-扭耦合变形模式增加应变梯度，以及布置多个感应电极收集电荷等方案，制备了钛酸铜钙（CCTO）纳米颗粒填充聚二甲基硅氧烷（PDMS）多孔复合材料（图1），将多孔材料在宏观尺度上的挠曲电输出与已报道结果相比提高了两个数量级、比实体基体材料高四个数量级，提出了“应变梯度发电机（Strain-Gradient Electric Generator, SGG）”的概念，实现了通过对这种材料施加变形产生电流给手机和蓝牙耳机充电。该成果以“A flexoelectricity-enabled ultrahigh piezoelectric effect of a polymeric composite foam as a strain-gradient electric generator” 为题，发表于Science Advances期刊上。
图1. 具有扭转结构的复合泡沫的制备过程与形貌
研究人员将CCTO/PDMS复合材料制成具有扭转-分层结构的复合泡沫（PDMS/n-CCTOv=5%）。这种结构在宏观单向压缩载荷作用下，其内部韧带可同时发生弯曲和扭转变形，从而提高了应变梯度以及挠曲电性能。并且，得益于PDMS优异的力学性能， 这种PDMS/n-CCTOv=5%复合泡沫在100万次循环变形下，力学性能和挠曲电输出依然稳定（图2、图3）。
图2. PDMS/n-CCTOv=5%复合泡沫的力/电特性
实体PDMS以及PDMS/n-CCTO实体复合材料不具有压电效应，然而，以上PDMS/n-CCTOv=5%复合泡沫在单向压缩下，其内部韧带发生弯曲和扭转变形从而产生挠曲电流，该电流通过非对称布置的多层电极向外输出。PDMS/n-CCTOv=5%复合泡沫材料的比质量挠曲电流输出高达实体基体材料的10,000倍，其等效表观压电系数超过无铅压电陶瓷，并可与具有最高压电系数的含铅压电陶瓷媲美；比密度等效压电系数超出常用压电陶瓷PZT的120倍、压电聚合物β-PVDF的380倍；电流峰值在1,000,000次的循环加载中保持稳定。PDMS/n-CCTOv=5%复合泡沫可以轻易地将多种形式的机械能转变为电能。该项研究展示，将此材料制成鞋垫、以及填充在一个球壳中，分别通过正常行走和摇动球壳产生电流，可为手机、蓝牙耳机充电，以及点亮LED灯。纳米颗粒填充PDMS多孔复合材料具有柔性、轻质、高效的特点，既可以作为高灵敏度的全向力电耦合柔性传感器，又可作为一种轻质柔性应变梯度发电机，可以适应广泛的应用场景（图3）。
图3. 基于具有超高挠曲电效应的应变梯度发电机的性能及应用
该工作受到Science Advances多位审稿人的高度评价，认为：“通过巧妙的设计在无铅复合材料中实现极高的挠曲电输出是一项令人激动的最新成果”， “该工作首次展示了基于挠曲电的发电机的实际应用，在领域内是领先的”，“基于复合泡沫的应变梯度发电机的性能令人赞叹”，“具有等效压电效应的多孔材料的应用前景十分广阔”。
论文的第一作者为北京航空航天大学固体力学研究所博士研究生闫东泽，论文的合作者包括北京大学王建祥教授，北京航空航天大学向锦武院士、邢誉峰教授，邵丽华教授为论文的唯一通讯作者。该研究得到了北京市杰出青年科学基金，以及国家自然科学基金的支持。邵丽华教授团队长期致力于固体力学领域轻质材料力电耦合力学的理论和实验研究，取得了一系列创新研究成果。基于无序多孔结构在外力作用下其内部韧带会发生弯曲变形的力学机制，以及在轻质多孔材料力电耦合性能研究方向的丰富经验，邵丽华教授团队前期发现了聚合物多孔结构可以实现超高的挠曲电输出，并建立了多孔结构的挠曲电效应理论模型，系统地揭示了多孔材料挠曲电响应的力学和物理机制。邵丽华教授团队招收力学、材料、物理等专业的硕士、博士研究生、博士后等，请将个人简历发至shaolihua@buaa.edu.cn。
原文链接：
http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adc8845 https://doi.org/10.1016/j.jmps.2021.104396
审核：力学家
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