研究背景：
压电材料通过构筑机-电转化能量收集系统将环境中离散废弃的振动能收集起来，用于自供电、柔性可穿戴设备等领域。高填充压电复合材料可以发挥压电陶瓷优异的压电性能，具有极大的应用价值。但陶瓷含量过高会导致材料脆性，且由于压电陶瓷和聚合物的介电常数差异大，使高填充的压电陶瓷得不到有效极化，限制了复合材料压电性能的提升。三维结构可以使压电陶瓷在施加应力过程中产生更大的形变量，具有放大的几何约束效应和力电耦合能力，但高效制备具有力电放大效应的三维多级孔结构仍面临挑战。导电填料可以显著影响材料的电荷分布和介电性能，降低体系内阻，增加局部电场强度，是提高极化效率的有效方法，但导电填料在高填充体系中均匀分散和导电网络的构筑存在较大困难。
工作介绍：
本团队提出采用墨水直写多材料体素打印构建具有多级孔结构的柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)基压电摩擦电纳米发电器件的新思路。选用韧性优异的弹性体 PDMS 为聚合物基体，分别采用具有优异压电性能的无铅环保钛酸钡（BaTiO3）和优异导电性能的碳纳米管（CNT）为无机填料，突破传统工艺限制，制备了高填充的压电陶瓷复合材料墨水和优异导电性的碳材料改性墨水（Fig.1a）。采用多材料墨水直写技术（DIW-M3D），分别构建了二维和三维体素化的压电与导电隔离网络（Fig.1b-c），制备了压电和导电墨水在三维层内层间交替排列的制件以及导电墨水在 XY 平面呈放射状分布的制件（Fig.1d-e）。
Fig. 1. The preparation and assembly processes of the voxel-isolated nanogenerators. a) Preparation process of ink A and ink B. b) Design of computer-aided structure. c) Direct ink writing of multi-material ink. d) The printed product. e) Assembly diagram of nanogenerators.
体素导电网络结构可优化制件内部的极化电场，提高电荷的传输效率，提升制件的压电输出性能（Fig.2）。“2×2”结构制件的d33可达37.5 pc/N，比常规BT80制件提升了4.5倍（Fig.2a），“2×2”结构制件的压电摩擦电协同输出性能可达90V，35nC（Fig.2b-c）。从COMSOL模拟测试可以看出体素结构制件的压电仿真输出是没有体素导电网络制件的1.7倍（Fig.2d-f）。
Fig. 2. Detailed electrical output characterization of voxel part. a) The voltage output of different structures. b) The charge output of different structures. c) The d33 of BT80, "1×1", "2×2", "3×3", " Flower Shape ". COMSOL Multiphysics simulation of the piezoelectric response of d) BT80 parts and e) "2×2" parts. f) Schematic diagram of polarization electric field dispersion inside BT80 and voxel isolated nanogenerators.
Fig. 3. Energy collection schematic and performance diagram of the MI2N insole. a-d) The output performance of the MI2N insole under different human actions. e) The voltage response of MI2N insole under different weak stresses. f) The current response of MI2N insole under different weak stresses. g) The excellent flexibility of MI2N insole.
基于隔离导电网络的方法制备了多材料鞋垫（Fig.3），可识别人体不同的运动状态，对于微弱应力具有灵敏的传感能力（Fig.3d-f）。本工作为制备柔性可穿戴压电俘能器和三维压电传感器提供了新的结构设计策略，具有重要的理论和实际意义。该研究以“Multi-material 3D printing of piezoelectric and triboelectric integrated nanogenerators with voxel structure”为题发表在《Chemical Engineering Journal》上，原文链接：https://doi.org/10.1016/j.cej.2023.144770。
