一種兼具柔性、透氣性和高輸出的壓電陶瓷復合織物

隨著科技的發展，可穿戴電子設備在生物醫學等領域的應用越來越廣泛，同時，人們對其舒適度和電池續航能力有了更高的要求。傳統的壓電陶瓷，如鋯鈦酸鉛（PZT），具有很高的壓電輸出，但是剛度高、脆性大；而PVDF等壓電聚合物雖然彈性模量較低，但壓電性較弱。因此，將二者的優點結合發展柔性壓電材料成為重要研究方向。

在此背景下，香港城市大學的研究團隊基于模板輔助的溶膠-凝膠法，研發了一種柔性透氣并具有高輸出的三級結構壓電陶瓷復合織物，其內部獨特的多級結構能夠有效強化機械性能。

該壓電復合織物主體由PZT陶瓷骨架和P（VDF-TrFE）涂層組成，兩側再貼附銅網作為電極。與采用的織物模板類似，相互纏繞的亞毫米級多股陶瓷纖維構成了PZT陶瓷骨架，而組成陶瓷纖維束的微米級PZT纖維則是二級結構。包覆PZT陶瓷骨架的P（VDFTrFE）薄膜為壓電復合織物提供了更好的機械性能和壓電性能。而內部獨特的多級孔隙結構也使該織物具有良好的透氣性，透氣率高達45.1mm/s。

相比于傳統的壓電復合材料，在機械性能方面，該壓電復合織物具有更高的楊氏模量（0.35GPa）、斷裂強度、拉伸率、韌度（0.125MJ/m3）及斷裂能。在壓電性能方面，該織物能夠產生128V的開路電壓，足以同時點亮75盞LED。

為了評估該壓電復合織物在人體運動監測和能量收集中的潛在應用，研究人員將其作為鞋墊墊于鞋底，從而將人體行走產生的能量轉換為電信號。將其用于計步器時，在2min內成功記錄了63步，同時將其顯示在手機屏幕上；將其用作能量收集裝置時，在36s的踩踏過程中，電容器中存儲的電壓增加到3.1V。而存儲在電容器中的能量可進一步用于為電子表供電，使其連續工作16s。

該研究設計多級結構和制造功能性壓電陶瓷織物的概念為提高傳統壓電材料的壓電性能提供了新的思路，同時，其更注重透氣性、壓電性、柔性和韌性方面均衡性的策略進一步促進了功能材料在可穿戴設備和柔性電子產品中的應用。

相關研究成果以“Hierarchically Interconnected Piezoceramic Textile with a Balanced Performance in Piezoelectricity，Flexibility，Toughness and Air Permeability”為題發表在Advanced Functional Materials上。