中國電子元件行業(yè)協(xié)會(huì )
China Electronic Components Association
壓電材料能夠在機械能和電能之間進(jìn)行轉換，適用于傳感、執行和能量收集領(lǐng)域。盡管大多數傳統的壓電材料是脆性固體，但柔性壓電材料（FPM）即使在彎曲和拉伸條件下仍能保持功能。近年來(lái)，這一特性引起了越來(lái)越多的關(guān)注，特別是對于可穿戴設備來(lái)說(shuō)，適應動(dòng)態(tài)人體運動(dòng)的能力至關(guān)重要。此外，可穿戴設備還需要優(yōu)異的一致性、耐用性和對小型化的適應性。柔性壓電材料作為一種有前景的解決方案，可以滿(mǎn)足所有這些要求。
近日，烏鎮實(shí)驗室和北京大學(xué)口腔醫學(xué)院聯(lián)合在npj Flexible Electronics期刊上發(fā)表了題為“Flexible piezoelectrics: integration of sensing, actuating and energy harvesting”的綜述文章。該文章全面總結了柔性壓電材料領(lǐng)域的最新進(jìn)展，包括壓電聚合物、復合材料和無(wú)機柔性薄膜。研究人員介紹了這些材料的特性并對其進(jìn)行了分類(lèi)，強調了它們在電子設備中的新興應用，并對柔性壓電材料的前景及其潛在挑戰進(jìn)行了評論。
I 典型柔性壓電材料
1 柔性壓電聚合物
有機聚合物通常具有優(yōu)異的柔韌性，可以承受各種機械操作，例如彎曲、折疊、扭曲和拉伸。通過(guò)控制它們的相和結晶度以引入極性，這些聚合物可以被設計成壓電材料。已經(jīng)研究了各種柔性壓電聚合物，包括聚偏氟乙烯（PVDF）、聚丙烯腈（PAN）、聚羥基丁酸酯（PHB）、聚乳酸（PLA）等。相比之下，PVDF及其衍生物因其廣泛證明的優(yōu)異壓電和機械性能而脫穎而出。此外，PVDF還具有良好的生物相容性、高化學(xué)穩定性和熱穩定性。所有這些特性使其成為柔性壓電器件的首選材料和壓電聚合物的代表材料。
作為一種聚合物材料，PVDF可以通過(guò)溶液澆鑄、靜電紡絲、3D打印和光刻等多種方法輕松加工成塊狀、薄膜、纖維和各種復雜結構。靜電紡絲和3D打印技術(shù)的引入提高了PVDF和其它聚合物的設計靈活性。這些方法能夠將PVDF制成適合紡織品或復雜三維結構的纖維形式，顯著(zhù)擴大了其潛在的應用范圍。
2 柔性壓電復合材料（FPC）
復合材料是由多種成分組成的異質(zhì)體系，每種成分都有不同的界面和系統排列的結構。通過(guò)組合不同的材料，復合材料可以集成各種功能，彌補單一材料體系的缺點(diǎn)。由柔性基質(zhì)材料和壓電陶瓷組成的柔性壓電復合材料重新受到人們的關(guān)注，成為研究的熱點(diǎn)。研究人員一直在通過(guò)試驗基質(zhì)和壓電陶瓷的不同組合、改變填料比、采用各種復合方法以及結合多相互連結構來(lái)優(yōu)化這些材料的機械和壓電性能。
由于制造方法和功能實(shí)現的限制，柔性壓電復合材料目前主要有四種類(lèi)型：0-3、1-3、2-2和3-3。
3、柔性無(wú)機壓電薄膜
無(wú)機陶瓷材料在納米尺度上的機械耐受性已成為一項突破。通過(guò)生長(cháng)納米級壓電陶瓷/單晶薄膜或將塊體陶瓷減薄到納米級，壓電陶瓷/單晶表現出了優(yōu)異的柔韌性。此外，它們的晶體結構得以保留，與復合材料不同，它們不再依賴(lài)聚合物基質(zhì)進(jìn)行應力傳遞，展現出優(yōu)異的性能。
無(wú)機薄膜通常生長(cháng)在各種無(wú)機襯底上，例如硅、絕緣體上硅（SOI）、氧化鋁、氧化鎂和鈣鈦礦氧化物（例如STO、LAO、YAO、LSAT等）。這些襯底提供了良好的支撐和外延排列，使薄膜能夠逐層生長(cháng)。然而，盡管薄膜本身具有固有的柔性，但這些襯底的剛性特性阻止了薄膜彎曲。為了解決這個(gè)問(wèn)題，已經(jīng)應用了兩種主要方法：第一種方法涉及在柔性襯底上直接原位生長(cháng)薄膜；第二種方法采用薄膜釋放和轉移技術(shù)將薄膜從剛性襯底轉移到柔性襯底上。
II 柔性壓電材料的應用
1 傳感
鑒于壓電材料能夠直接在電能和機械能之間轉換，因此是機械傳感應用的理想材料。人類(lèi)活動(dòng)中包含的豐富機械信號，例如關(guān)節運動(dòng)、皮膚感覺(jué)、脈搏甚至血流，都可以被壓電材料捕獲并轉換為電信號。由于壓電材料在受到刺激時(shí)會(huì )自發(fā)產(chǎn)生電壓，因此支持由人體運動(dòng)、生理信號或環(huán)境刺激觸發(fā)的事件驅動(dòng)傳感策略，而無(wú)需持續的電源輸入，從而降低了能耗。
2 能量收集
壓電材料具有將機械能轉化為電能的固有能力，反之亦然，已成為能量收集領(lǐng)域的焦點(diǎn)。在能量收集領(lǐng)域，更青睞具有更高壓電系數的材料。因此，柔性無(wú)機壓電薄膜和壓電復合材料在這一領(lǐng)域得到了更廣泛的研究和報道。各種無(wú)機壓電材料已被報道用于能量收集應用。這包括鈣鈦礦型材料，例如PZT、BTO和KNN，以及纖鋅礦結構材料，例如ZnO、AlN和GaN。與納米纖維相比，壓電薄膜保留了無(wú)機材料的高壓電性能，并提供了更高的空間效率，研究人員已經(jīng)開(kāi)始使用這些薄膜來(lái)制造更高效的能量收集器。除了無(wú)機薄膜，復合壓電材料，例如市售的宏觀(guān)纖維復合材料（MFC），也被探索用于能量收集。這些復合材料具有制造工藝簡(jiǎn)單、成本相對較低、機械耐久性?xún)?yōu)異等優(yōu)點(diǎn)。
3、執行
與柔性壓電材料在傳感領(lǐng)域的廣泛應用和能量收集領(lǐng)域的廣泛研究相比，它們在執行器領(lǐng)域的應用相對有限。主要原因是柔性壓電材料的主要應用場(chǎng)景——可穿戴設備——很難提供足夠的能量來(lái)實(shí)現執行功能，這意味著(zhù)目前的設備仍然依賴(lài)于外部能量輸入。目前，柔性壓電材料在執行器中的應用主要集中在三個(gè)領(lǐng)域：主動(dòng)振動(dòng)和聲場(chǎng)控制、仿生設備的執行功能以及感官反饋。
4、柔性壓電器件的多功能性和集成
在實(shí)際應用中，例如可穿戴和植入式電子產(chǎn)品，對能夠將多種功能集成到單個(gè)組件中的多功能設備的需求日益增長(cháng)。這種集成可以帶來(lái)更緊湊、便攜和不顯眼的產(chǎn)品。為了實(shí)現這些目標，研究人員探索了各種方法，產(chǎn)生了幾個(gè)有趣的演示設備。實(shí)現柔性壓電材料多功能性的主要方法之一是集成傳感和能量收集功能。具有這種能力的設備被定義為自供電傳感器。傳感與執行的集成是多功能性的一種更直觀(guān)的實(shí)現，因為這兩種功能的能量轉換相反：前者將機械能轉化為電能，而后者則相反。據報道，宏觀(guān)纖維復合材料與傳感和執行功能兼容。
總而言之，柔性壓電材料（FPM）的主要類(lèi)型包括聚合物、復合材料和無(wú)機薄膜。該綜述詳細討論了PVDF等壓電聚合物的合成方法，壓電復合材料的分類(lèi)和關(guān)鍵方面，以及無(wú)機柔性壓電薄膜的兩種典型制備方法。傳感、執行和能量收集是柔性壓電材料的三個(gè)主要應用方向，三種不同類(lèi)型的柔性壓電材料在每個(gè)應用領(lǐng)域都有各自的優(yōu)勢。鑒于壓電材料的多功能特性，研究人員進(jìn)一步探索如何利用這一特性在單個(gè)器件內實(shí)現多功能集成。最后，從應用的角度來(lái)看，討論了柔性壓電器件面臨的挑戰，以及它們的潛在發(fā)展方向。
雖然有多種方法可以實(shí)現壓電材料的柔性，但同時(shí)提高柔性和壓電性能仍然是研究人員的核心目標。在實(shí)驗室環(huán)境中，這種“雙重增強”是通過(guò)精心的材料選擇和結構設計逐漸實(shí)現的。然而，在考慮商業(yè)化時(shí)，必須解決由復雜制造工藝帶來(lái)的成本和生產(chǎn)效率問(wèn)題。柔性壓電材料本身也面臨著(zhù)來(lái)自其它解決方案的競爭，例如用于能量收集的摩擦電材料、用于力傳感的電容和壓阻材料，以及用于執行功能的磁致伸縮材料。然而，柔性壓電器件仍然具有自供電/低功耗、快速響應、高頻性能和多功能集成等優(yōu)點(diǎn)。研究人員認為，在可穿戴和植入式設備領(lǐng)域，柔性壓電器件憑借其在小型化、多功能性和低功耗方面的優(yōu)勢，很可能成為未來(lái)最有前景的解決方案之一。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41528-025-00432-5
