在航空航天、高端装备等领域，力电耦合器件在高精度作动、高灵敏度力学量传感等方面发挥着极其重要的作用。随着对作动和传感精度要求的不断提高，以及服役环境、尤其是力学环境的复杂性，如何使上述器件兼具超高的力电耦合效应和复杂的环境适应性，是应用过程中面临的关键科学问题。
针对上述问题，西安交通大学徐明龙教授团队提出了一种基于柔性驻极体材料的超高等效压电效应薄膜设计和研制方法。如图1A-C所示，团队利用由两层氟化乙烯丙烯（FEP）和夹在其间的聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物（PVDF-TrFE）形成了三明治型的压电驻极体复合薄膜结构，并对夹心层进行了图案化设计，形成了具有宏观尺度的孔隙结构；在此基础上，利用热应力过程在界面处形成更小尺度的褶皱，从而跨尺度地提升了净电荷存储的等效面积。再通过电极化使得这种褶皱设计的两侧存储了异号的净电荷，形成了等效的定向偶极子。因此，该驻极体材料受到力学载荷作用发生变形时，等效偶极矩的变化引发了局部电场变化，在外电路上产生了超高的等效压电效应。
图1 柔性驻极体及其超高等效压电效应的设计思路和制备流程
经过对孔隙尺度、预应力、以及温度变化等设计，使该驻极体的等效压电系数达到了1.5×10⁴pC/N，是商业聚二偏氟乙烯（PVDF）材料的700倍以上，如图2A所示。驻极体材料内存储的电荷随时间、力学和温度加载而发生的衰减不容忽视。经研究，该驻极体材料的等效压电系数在极化后7天左右完成衰减并趋于稳定，其剩余等效压电系数为初始极化值的70 % 左右，如图2B所示。该驻极体等效压电效应的力学稳定性如图2C所示，加载8×103次后其等效压电系数仍未发生明显变化。温度方面，通过对该驻极体施加1℃/min的温度循环试验并检测其等效压电系数，得到如图2D所示的结果，表明了一定的高温适应性。
图2 等效压电系数的调控过程和环境适应性研究
由于具有超强的等效压电效应和优秀的力学性能，该驻极体材料能够在大变形测量、高灵敏度力学量检测、生物力学量检测等领域发挥重要价值。如图3A所示，将该驻极体薄膜粘贴至柔性板表面并使其弯曲变形至40°左右，可看到在相同的几何尺寸下，本研究对弯曲角度测量的灵敏度达到了1.893V/°，是商业压电材料0.091V/°的20.8倍；在加速度测量方面，如图3B所示，其灵敏度也达到了同尺寸商业材料的10倍多。此外，本研究还能够对不同程度的敲击、人体不同运动状态下的脉搏、甚至树叶掉落的载荷进行精确测量，如图3C-G所示。上述工作通过跨尺度设计褶皱实现了具有超高等效压电效应的柔性驻极体，其高灵敏度的力学载荷传感能力，为生物医疗、微振动测量和抑制等领域提供了新的解决方案。
图3 应用举例和展示
该研究成果以《具有跨尺度孔隙设计的超灵敏等效压电薄膜》（Ultra-sensitive piezoelectric-like film with designed cross-scale pores）为题发表在《科学进展》（Science Advances）上，西安交通大学为唯一通讯单位。西安交通大学硕士研究生李一凡和西安交通大学副教授张舒文为论文共同第一作者，西安交通大学翟崇朴教授和徐明龙教授为论文通讯作者。本文得到国家自然科学基金（No. 12472186, 12202342）的资助。此外，本文还要感谢西安交通大学梁旭教授和西安交通大学分析测试中心在实验条件、实验操作等方面提供的支持和帮助。
论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adt4003
