從機械應(yīng)變、運動、光、熱、磁場等自然資源中獲取能量已經(jīng)成為穿戴式、自供電電子、物聯(lián)網(wǎng)無線傳感器網(wǎng)絡(luò)(WSNs)等領(lǐng)域的研究熱點。能量收集機械應(yīng)變和運動，傳統(tǒng)方法有壓電，靜電，和電磁等。然而，作為一個典型的自供電、自感知的可穿戴設(shè)備，壓電能量收集器表現(xiàn)出結(jié)構(gòu)簡單、小型化和更高的能量密度等優(yōu)點。相比傳統(tǒng)的無機陶瓷和單晶材料，PVDF及其共聚物因其柔性、靈活的設(shè)計、小的聲阻抗，以及寬響應(yīng)頻率和高化學(xué)穩(wěn)定性，因此更適合應(yīng)用于可穿戴電子、步行發(fā)電等應(yīng)用。但與無機壓電陶瓷或壓電單晶相比，因其壓電系數(shù)、介電常數(shù)很小，因此產(chǎn)生的功率密度一直偏低。
董蜀湘教授課題組成果在線發(fā)表于《能源與環(huán)境科學(xué)》
最近，北京大學(xué)工學(xué)院董蜀湘教授課題組，在北京市科技專項資助下，研發(fā)了具有自主知識產(chǎn)權(quán)的3D打印設(shè)備，獲得授權(quán)中國發(fā)明專利。利用自主研發(fā)的3D打印設(shè)備成功制備了多層PVDF-TrFE薄膜以及研制了具有彎張效應(yīng)的橄欖球新穎結(jié)構(gòu)壓電能量收集器，其表觀壓電系數(shù)及功率密度獲得了顯著提升。實驗結(jié)果表明3D打印的橄欖球能量收集器在頻率為3.5 HZ，壓強為0.046 MPa的機械壓力下，可以產(chǎn)生88.6 Vp-p的峰值電壓和0.35 mA的短路電流；它的單位面積峰值輸出功率密度更是高達16.4 mW cm?2，這比其它柔性壓電發(fā)電材料的功率密度高出一個量級，也和太陽能電池的功率密度相當(dāng)。提出的3D打印多層柔性壓電薄膜制備方法和橄欖球彎張機制能量采集設(shè)計，在未來的具有自傳感、自供電功能的柔性可穿戴電子設(shè)備、無線傳感器網(wǎng)絡(luò)、自發(fā)電智能道路等，具有巨大發(fā)展?jié)摿Α?
能量回收器設(shè)計與性能測試圖：（a）樣品結(jié)構(gòu)回收示意圖；（b）能量回收器應(yīng)用圖；在3.5 HZ頻率，不同負載阻抗條件下，能量回收輸出功率（c）和電流（d）
這項研究成果也證明3D打印工藝是一種簡單、有效的方法，在未來的柔性、微電子器件制備領(lǐng)域也有應(yīng)用前景。該成果在線發(fā)表在《能源與環(huán)境科學(xué)》（Energy & Environmental Science, IF= 33.25），題目為“The large piezoelectricity and high power density of a 3D-printed multilayer copolymer in a rugby ball-structured mechanical energy harvester”。該成果第一作者是北京大學(xué)工學(xué)院材料系17級博士生袁小婷，董蜀湘教授是論文唯一通訊作者。研究獲得了國家自然科學(xué)基金委（51772005，51132001）、北京市科技專項、磁電功能材料與器件北京市重點實驗室、新奧能源科技的資助。
文章鏈接為：https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2019/ee/c9ee01785b#!divAbstract
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