開發具有優異電學輸出的壓電能量收集器(FPEH)，在能源供應、壓電傳感、健康監測和環境保護等領域具有廣闊的應用前景。然而，傳統的將無機壓電相作為填料分散到聚合物基體中來構建FPEH的方法通常會導致無機壓電相團聚，從而限制FPEH的性能。另一方面，當FPEH作為有源自供電傳感器使用時，由于壓電材料的固有特性，很難檢測到力變化率較慢的外部刺激，這導致了其在應力傳感方面的局限性。因此，制備出既具有優異的壓電性能，又能通過壓電模式檢測應力分布的FPEH仍然是一個很大的挑戰。
針對這一問題，寧波大學羅來慧教授團隊引入應力發光粒子ZnS:Cu制備得到應力發光(ML)層，選擇BaTiO3和PVDF沉積在玻璃纖維上得到壓電層，通過壓電復合膜與ML層結合，制備出具有高性能的ML- FPEH，同時實現了自供電的光-電雙模應力傳感，彌補了壓電傳感器只能檢測動態應力的固有缺點。這項工作以“Flexible Piezoelectric Energy Harvesters with Mechanoluminescence for Mechanical Energy Harvesting and Stress Visualization Sensing”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。
圖1 ML-FPEH的制備流程
在電學性能方面，在4 N的作用力下，隨著頻率從0.5 Hz增加到5 Hz，輸出電壓從25 V增加到58 V（圖2 a, b）。考慮到潛在的應用，在頻率為1 Hz的周期性壓力下測試了ML-FPEH器件的機械耐久性和穩定性。器件的輸出性能在超過1000次循環后幾乎沒有變化，這表明器件具有優異的化學穩定性和機械耐久性（圖2 c）。同時測試了不含BT的基于FPEH的PVDF-玻璃纖維布復合膜的輸出電壓，器件的輸出電壓幾乎為零，這表明ML-FPEH的電輸出主要來自BT膜的壓電效應（圖2d）。
圖2 ML-FPEH的電學性能
使用1-500 MΩ的外部負載電阻來評估FPEH的輸出功率。當外部負載電阻為5 MΩ時，最大輸出功率為43.56 μW cm-2 。為了測試器件的充電能力，ML-FPEH連接到橋式整流電路，計算得到平均充電速率為24.2 nC/循環（圖3d），這證實了ML-FPEH的高效充電能力。手指輕觸ML-FPEH所產生的電能成功用于驅動連接到0.33 μF電容器的商用黃色LED（圖3e）。通過用手掌拍打ML-FPEH，無需任何外部存儲系統即可輕松地同時點亮27個商用綠色LED（圖3h），以上應用可以有力地證明ML-FPEH出色的能量收集能力。同時，對ML-FPEH的響應速度進行了評價。當手指按下時，響應時間僅為20 ms（圖3f）。可以看出，ML-FPEH響應快速，具有作為自供電傳感器的潛在應用。
圖3 ML-FPEH的能量收集應用
由于ML-FPEH優異的柔性和可適用性，將其固定在人體的不同部位，器件可以從人體運動中有效收集機械能并將其轉換為穩定的電輸出，實現自供電傳感，用于監測人體運動（圖4）。
圖4 ML-FPEH用于人體運動監測
隨著外力的增大，ML-FPEH的發光強度也隨之增強，具有良好的線性相關性（圖5 a-c）。此外，該裝置還可用于通過可視化檢測應力分布。使用筆尖在ML-FPEH表面施加動態壓力，可以清晰的看到發光圖像，通過有限元仿真和灰度處理提取ML圖像，可以很容易分析相應的壓力分布（圖5 d-f）。該器件的力致發光特性在應力可視化、應力傳感和防偽裝置方面具有廣闊的應用前景。
圖5 ML-FPEH的光學傳感性能
圖6 a-d顯示了ML-FPNG作為應力傳感器通過光-電雙模態的應用。當使用筆在ML-FPEH上書寫不同的字母時，會有不同的電壓信號和視覺圖像。施加動態的力可以很明顯看到輸出電壓，但是當施加均勻的力時，沒有檢測到明顯的電壓。在整個過程中，肉眼可以清楚地看到綠色ML的強度。單一的電信號不能有效地監測準靜態力的變化，而光-電雙模態傳感器既能提供光信號，又能提供電信號，可以同時對動態力和準靜態力進行監測。因此，這種自供電的光-電雙模態傳感器在多模傳感和可穿戴電子皮膚等領域具有廣闊的應用前景。
圖6 ML-FPEH的光-電雙模態傳感
綜上所述，通過在BT-GFEC/PVDF壓電復合膜上封裝由PDMS包裹ZnS：Cu顆粒的ML層，制備了具有力致發光和壓電性能的ML-FPEH器件。ML-FPEH展現了優異的輸出性能(~58 V, ~43.56 μW cm-2)。ML-FPEH還可以有效地從人類活動中獲取機械能，并且在1000次循環中仍然顯示穩定的輸出，確保其可靠性和耐用性。此外，所獲得的ML-FPEH在應力作用下具有優異的傳感性能，并能輸出光信號實現力的可視化，彌補了壓電能量收集器件用于應力傳感的不足。因此，這項工作為未來在壓電-應力發光自供電雙模態傳感領域提供了新的可能性。
原文鏈接：https://doi.org/10.1002/adfm.202412507
