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  近日，國際權威雜志《能源與環境科學》（Energy & Environmental Science影響因子29.518）在線刊發了華中科技大學光學與電子信息學院張光祖副教授最新研究成果《應用于機械和熱能收集的具有三維聯通結構的柔性壓電復合材料》（Flexible Three-Dimensional Interconnected Piezoelectric Ceramic Foam based Composites for Highly Efficient Thermo-Mechanical Energy Harvesting. DOI: 10.1039/c8ee00595h）。青年教師張光祖副教授為論文第一作者，華中科技大學“長江學者”講座教授王慶老師為通訊作者。研究與賓夕法尼亞州立大學工程科學與機械系Sulin Zhang教授（共同通訊作者）團隊合作完成。

  能源問題是伴隨人類社會發展的永恒話題。如能通過柔性材料與器件將人體活動的機械能和人體周圍的熱能有效轉換成電能，將有望解決人體可植入醫療器件的供電問題，為健康事業的發展做出重要貢獻。同時，柔性能量轉換材料與器件還可為可穿戴電子器件和智能電子設備（如手機、筆記本電腦等）提供電能，給我們的工作與生活帶來便利。鐵電材料特有的自發極化效應使其集壓電和熱釋電性于一身，可單獨或同時將機械能和熱能轉換成電能，是重要的能量收集與轉換材料。無機鐵電材料（如鐵電陶瓷和單晶等）電學性能較好，卻不具柔性；鐵電聚合物等有機鐵電體柔性好，但能量轉換能力遠不及無機鐵電體。為綜合兩種材料的優勢，直覺告訴我們應將無機鐵電材料作為顆粒填充物添加到柔性聚合物中，形成復合材料。這種方法雖然簡單，但效果欠佳。由于性能優異的無機鐵電顆粒被柔軟且熱導率較低的有機材料包裹，外界施加的應力和熱量較難快速有效地傳遞給填充物，致使復合材料的機械能和熱能轉換成電能的能力不理想。

  針對柔性能量收集材料與器件的這一難題，研究團隊旨在打破了復合材料內應力和熱量傳遞法則，提出并設計了基于三維網狀聯通結構的復合能量收集材料（圖1）。通過理論計算，研究團隊發現，三維網狀結構復合材料的機械應力傳輸效率較普通復合材料高出4個數量級，且傳熱速度是普通復合材料的5倍，這意味著如能實現團隊設計的三維網狀聯通結構的復合能量收集材料的制備，傳統復合材料的應力和熱傳導瓶頸將被突破，基于該材料的能量收集器件性能將取得重大進展。

圖1  有限元計算的不同類型復合材料的應力和壓電電勢分布圖。與顆粒復合材料（圖a-d）和納米線復合材料（圖i-h）等零維和一維復合材料相比，本文設計的三維網狀聯通復合材料（圖m-p）的應力傳輸效率提升了4個數量級，其壓電能量轉換能力將得到顯著提高。

  然而，如何通過簡單、有效且成本低廉的方法實現三維網狀聯通結構鐵電陶瓷的制備，再次成為困擾研究團隊的一道難題。“非常有意思的是，靈感來自于一次擦桌子”，張光祖副教授介紹。我們經常用于擦窗戶和桌子等用到的海綿是由具有多孔結構的聚氨酯構成（圖2），該結構的聚氨酯通過毛細作用具有理想的吸水效果。“我們想到如果用海綿去吸陶瓷溶膠，待溶膠凝固成凝膠并經高溫燒結，有望制備具有和海綿類似的多孔鐵電陶瓷骨架”。經過不懈努力，團隊成功實現了這一構想。以價格低廉的聚氨酯海綿作為模板，大面積制備了基于三維網狀聯通結構鐵電陶瓷的柔性復合能量收集材料（圖3），并使材料的機械能和熱能轉換成電能的能力較傳統復合材料提升了8倍和4倍。研究為基于鐵電效應的機械能和熱能能量收集材料與器件的研究、設計和制備提供了全新思路，對能源材料與器件領域的發展具有重要意義。

圖2 清潔用聚氨酯海綿照片及其微觀結構

圖3 研究團隊制備的柔性能量收集材料。（a）材料制備工藝示意圖；（b-e）具有三維網狀聯通結構的壓電陶瓷微結構圖和元素分布情況；（f）復合材料照片及其柔性情況。

  研究得到了國家自然科學基金面上（51772108, U1532146, 61675076）和聯合國家重點研發計劃（2016YFB0402705）項目的支持。

  論文鏈接：http://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2018/ee/c8ee00595h#!divAbstract