三维互联多孔聚合物超高柔电效应:建模与验证

ty10086 提交于 周三, 08/25/2021 - 15:51
文章英文标题
Ultrahigh flexoelectric effect of 3D interconnected porous polymers: modelling and verification
正文
非导电材料如橡胶、塑料、陶瓷,甚至半导体等都具有挠性电的性质,这意味着它们在弯曲和扭曲时都能发电。然而,不规则形状或特殊载荷是实现挠曲电的必要条件,固体挠曲电的重量和变形比受到限制。本工作发展了三维互联多孔材料柔电理论模型。与固体材料相比,多孔材料由于其复杂的微观结构,在任意加载形式下都能表现出挠曲电性,且其质量和变形比挠曲电输出远高于固体材料。然后,通过测量聚二甲基硅氧烷( PDMS )和多孔聚偏氟乙烯( PVDF )的挠曲电响应,对模型进行了验证,发现具有3D微米尺度互联结构的多孔PDMS比实心截锥形PDMS两个数量级的质量和变形比挠曲电输出。发现柔电信号与外加应变、微结构尺寸和频率呈线性关系。最后,我们将该理论应用于更实用的弯曲传感器,并论证了其稳定的功能和准确的响应。该模型可应用于其他多孔材料,该结果突出了多孔微结构材料作为轻质材料在机械传感、驱动、能量收集和仿生等领域具有显著的柔电效应的新潜力。
文章内容(英文)
Non-conductive materials like rubbers, plastics, ceramics, and even semiconductors have the property of flexoelectricity, which means that they can generate electricity when bent and twisted. However, an irregular shape or a peculiar load has been the necessary condition to realize flexoelectricity, and the weight and deformability specific ratios of flexoelectricity of solids are limited. In this work, we develop a theoretical model of flexoelectricity of three-dimensional interconnected porous materials. Compared to the solid materials, porous materials can exhibit flexoelectricity under arbitrary loading forms due to their complex microstructures, and the weight and deformability specific flexoelectric output is much higher than that of the solids. Then, we verify the model by measuring the flexoelectric response of polydimethylsiloxane (PDMS) and porous polyvinylidene fluoride (PVDF). The porous PDMS with 3D micron-scale interconnected structures exhibits two orders of magnitude higher weight and deformability specific flexoelectric output than that of the solid truncated pyramid PDMS. The flexoelectric signal is found to be linearly proportional to the applied strain, the microstructural size and the frequency. Finally, we apply the theory to a more practical bending sensor, and demonstrate its stable functioning and accurate response. Our model can be applied to other porous materials, and the results highlight the new potential of porous micro-structured materials with a significant flexoelectric effect in the fields of mechanical sensing, actuating, energy harvesting, and biomimetics as light-weight materials.
来源出处
Journal|[J]Journal of the Mechanics and Physics of SolidsVolume 151, 2021.
DOI
https://doi.org/10.1016/J.JMPS.2021.104396

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