由新加坡南洋理工大学(NTU新加坡)领导的一组研究人员开发了一种新材料,当向其施加电能时,它的弯曲和弯曲能力是其竞争对手的四十倍,从而为更好的微型机器开辟了道路。
相反,当它弯曲时,它可以非常有效地发电,并且可以用于更好的“能量收集”-可能只是通过日常运动为小工具中的电池充电。
新型材料既是电致伸缩的又是压电的中国机械网okmao.com。它的电致伸缩性能意味着当施加电流时它可以改变形状,而压电意味着该材料可以将压力转换成电荷。
当施加电场时,构成电致伸缩材料的原子移动,从而导致材料变形和弯曲。当压电材料被压缩时,压力被转换为电荷,这些电荷积聚在材料中。
科学家发现,当施加电场时,新的混合材料可能会变形至22%,这是迄今为止压电材料中所报道的最高应变。这远远超过了传统的压电材料,当电流通过时,压电材料的变形率最高仅为0.5%。新材料还比其他压电和电致伸缩材料更节能。
压电材料通常用于吉他,扬声器,传感器和电动机。例如,压电拾音器是一种用于电吉他中的设备,用于将琴弦上的振动转换为电信号,然后对其进行处理以进行音乐录制或通过扬声器进行放大。
铁电晶体最早于1920年被发现,由于其易于集成到电子设备中,因此已用于制造压电材料已有70多年的历史了。
但是,它们易碎且不易弯曲,只能弯曲0.5%,这极大地限制了它们在电子设备中的应用,例如执行器(将电控制信号转换为机械运动的部件,例如打开和关闭的阀门)。
一些铁电体还包含有毒的铅,其在压电设备中的存在是电子废物难以回收的原因之一。传统的铁电体(例如钙钛矿氧化物)也不适合与皮肤接触的柔性电子设备,例如跟踪心律的可穿戴生物医学设备。
上个月在科学期刊《自然材料》上发表了这种新材料,它是由物理与数学科学学院的范洪进教授及其团队在南大创建的,其中包括他的博士生胡玉忠先生,他是本文的第一作者。团队的成员还包括来自中国南方科技大学的王俊玲教授,他是材料科学与工程学院的前南洋理工大学教授。
范教授说:“这种新型铁电材料的柔韧性是同类电致伸缩材料的40倍以上,可用于高效装置,例如在施加电场时会弯曲的致动器和传感器。由于其优越的压电特性,该材料也可用于弯曲时会收集能量的机械设备,这对为可穿戴设备重新充电很有用。
“我们认为,通过进一步优化化学成分,我们可以在未来大幅改善此性能。我们认为,这种材料可能在物联网(IOT)的可穿戴设备的开发中发挥关键作用,这是关键之一促成第四次工业革命的技术。”
开发柔性铁电材料
为了开发一种柔性铁电材料,研究人员修改了混合铁电化合物C6H5N(CH3)3CdCl3或简称PCCF的化学结构,它的弯曲能力可能是传统铁电化合物的一百倍。
为了进一步增加材料的移动范围,科学家们通过将化合物的某些氯(Cl)原子替换为大小与氯相似的溴(Br)来改变该化合物的化学组成,以削弱该化合物在特定点的化学键在结构上。这使材料更加柔软,而又不影响其压电质量。
这种新材料易于制造,仅需进行基于溶液的处理,其中随着液体的蒸发形成晶体,这与需要使用高功率激光器和能量来形成的典型铁电晶体不同。
当对新的PCCF化合物施加电场时,其中的原子位移远比大多数常规铁电体中的原子位移大得多,其应变比常规压电材料高出22%。