柔性压电材料：传感、执行和能量收集功能的集成
2025-06-21 15:48:27 来源：麦姆斯咨询 评论：0 点击：
本文全面总结了柔性压电材料领域的最新进展，包括压电聚合物、复合材料和无机柔性薄膜。研究人员介绍了这些材料的特性并对其进行了分类，强调了它们在电子设备中的新兴应用，并对柔性压电材料的前景及其潜在挑战进行了评论。
压电材料能够在机械能和电能之间进行转换，适用于传感、执行和能量收集领域。尽管大多数传统的压电材料是脆性固体，但柔性压电材料（FPM）即使在弯曲和拉伸条件下仍能保持功能。近年来，这一特性引起了越来越多的关注，特别是对于可穿戴设备来说，适应动态人体运动的能力至关重要。此外，可穿戴设备还需要优异的一致性、耐用性和对小型化的适应性。柔性压电材料作为一种有前景的解决方案，可以满足所有这些要求。
据麦姆斯咨询报道，近日，乌镇实验室和北京大学口腔医学院联合在npj Flexible Electronics期刊上发表了题为“Flexible piezoelectrics: integration of sensing, actuating and energy harvesting”的综述文章。该文章全面总结了柔性压电材料领域的最新进展，包括压电聚合物、复合材料和无机柔性薄膜。研究人员介绍了这些材料的特性并对其进行了分类，强调了它们在电子设备中的新兴应用，并对柔性压电材料的前景及其潜在挑战进行了评论。
柔性压电材料的材料体系、特性及应用
I 典型柔性压电材料
1 柔性压电聚合物
有机聚合物通常具有优异的柔韧性，可以承受各种机械操作，例如弯曲、折叠、扭曲和拉伸。通过控制它们的相和结晶度以引入极性，这些聚合物可以被设计成压电材料。已经研究了各种柔性压电聚合物，包括聚偏氟乙烯（PVDF）、聚丙烯腈（PAN）、聚羟基丁酸酯（PHB）、聚乳酸（PLA）等。相比之下，PVDF及其衍生物因其广泛证明的优异压电和机械性能而脱颖而出。此外，PVDF还具有良好的生物相容性、高化学稳定性和热稳定性。所有这些特性使其成为柔性压电器件的首选材料和压电聚合物的代表材料。
作为一种聚合物材料，PVDF可以通过溶液浇铸、静电纺丝、3D打印和光刻等多种方法轻松加工成块状、薄膜、纤维和各种复杂结构。静电纺丝和3D打印技术的引入提高了PVDF和其它聚合物的设计灵活性。这些方法能够将PVDF制成适合纺织品或复杂三维结构的纤维形式，显著扩大了其潜在的应用范围。
制造PVDF和PVDF基器件的典型技术
2 柔性压电复合材料（FPC）
复合材料是由多种成分组成的异质体系，每种成分都有不同的界面和系统排列的结构。通过组合不同的材料，复合材料可以集成各种功能，弥补单一材料体系的缺点。由柔性基质材料和压电陶瓷组成的柔性压电复合材料重新受到人们的关注，成为研究的热点。研究人员一直在通过试验基质和压电陶瓷的不同组合、改变填料比、采用各种复合方法以及结合多相互连结构来优化这些材料的机械和压电性能。
由于制造方法和功能实现的限制，柔性压电复合材料目前主要有四种类型：0-3、1-3、2-2和3-3。
已有报道的四种典型压电复合材料
3、柔性无机压电薄膜
无机陶瓷材料在纳米尺度上的机械耐受性已成为一项突破。通过生长纳米级压电陶瓷/单晶薄膜或将块体陶瓷减薄到纳米级，压电陶瓷/单晶表现出了优异的柔韧性。此外，它们的晶体结构得以保留，与复合材料不同，它们不再依赖聚合物基质进行应力传递，展现出优异的性能。
无机薄膜通常生长在各种无机衬底上，例如硅、绝缘体上硅（SOI）、氧化铝、氧化镁和钙钛矿氧化物（例如STO、LAO、YAO、LSAT等）。这些衬底提供了良好的支撑和外延排列，使薄膜能够逐层生长。然而，尽管薄膜本身具有固有的柔性，但这些衬底的刚性特性阻止了薄膜弯曲。为了解决这个问题，已经应用了两种主要方法：第一种方法涉及在柔性衬底上直接原位生长薄膜；第二种方法采用薄膜释放和转移技术将薄膜从刚性衬底转移到柔性衬底上。
制备无机柔性压电薄膜的两种策略
II 柔性压电材料的应用
1 传感
鉴于压电材料能够直接在电能和机械能之间转换，因此是机械传感应用的理想材料。人类活动中包含的丰富机械信号，例如关节运动、皮肤感觉、脉搏甚至血流，都可以被压电材料捕获并转换为电信号。由于压电材料在受到刺激时会自发产生电压，因此支持由人体运动、生理信号或环境刺激触发的事件驱动传感策略，而无需持续的电源输入，从而降低了能耗。
柔性压电材料在传感中的应用
2 能量收集
压电材料具有将机械能转化为电能的固有能力，反之亦然，已成为能量收集领域的焦点。在能量收集领域，更青睐具有更高压电系数的材料。因此，柔性无机压电薄膜和压电复合材料在这一领域得到了更广泛的研究和报道。
各种无机压电材料已被报道用于能量收集应用。这包括钙钛矿型材料，例如PZT、BTO和KNN，以及纤锌矿结构材料，例如ZnO、AlN和GaN。与纳米纤维相比，压电薄膜保留了无机材料的高压电性能，并提供了更高的空间效率，研究人员已经开始使用这些薄膜来制造更高效的能量收集器。除了无机薄膜，复合压电材料，例如市售的宏观纤维复合材料（MFC），也被探索用于能量收集。这些复合材料具有制造工艺简单、成本相对较低、机械耐久性优异等优点。
柔性压电材料在能量收集中的应用
3、执行
与柔性压电材料在传感领域的广泛应用和能量收集领域的广泛研究相比，它们在执行器领域的应用相对有限。主要原因是柔性压电材料的主要应用场景——可穿戴设备——很难提供足够的能量来实现执行功能，这意味着目前的设备仍然依赖于外部能量输入。目前，柔性压电材料在执行器中的应用主要集中在三个领域：主动振动和声场控制、仿生设备的执行功能以及感官反馈。
柔性压电材料在执行方面的应用
4、柔性压电器件的多功能性和集成
在实际应用中，例如可穿戴和植入式电子产品，对能够将多种功能集成到单个组件中的多功能设备的需求日益增长。这种集成可以带来更紧凑、便携和不显眼的产品。为了实现这些目标，研究人员探索了各种方法，产生了几个有趣的演示设备。实现柔性压电材料多功能性的主要方法之一是集成传感和能量收集功能。具有这种能力的设备被定义为自供电传感器。传感与执行的集成是多功能性的一种更直观的实现，因为这两种功能的能量转换相反：前者将机械能转化为电能，而后者则相反。据报道，宏观纤维复合材料与传感和执行功能兼容。
柔性压电材料的多功能性和集成
总而言之，柔性压电材料（FPM）的主要类型包括聚合物、复合材料和无机薄膜。该综述详细讨论了PVDF等压电聚合物的合成方法，压电复合材料的分类和关键方面，以及无机柔性压电薄膜的两种典型制备方法。传感、执行和能量收集是柔性压电材料的三个主要应用方向，三种不同类型的柔性压电材料在每个应用领域都有各自的优势。鉴于压电材料的多功能特性，研究人员进一步探索如何利用这一特性在单个器件内实现多功能集成。最后，从应用的角度来看，讨论了柔性压电器件面临的挑战，以及它们的潜在发展方向。
虽然有多种方法可以实现压电材料的柔性，但同时提高柔性和压电性能仍然是研究人员的核心目标。在实验室环境中，这种“双重增强”是通过精心的材料选择和结构设计逐渐实现的。然而，在考虑商业化时，必须解决由复杂制造工艺带来的成本和生产效率问题。柔性压电材料本身也面临着来自其它解决方案的竞争，例如用于能量收集的摩擦电材料、用于力传感的电容和压阻材料，以及用于执行功能的磁致伸缩材料。然而，柔性压电器件仍然具有自供电/低功耗、快速响应、高频性能和多功能集成等优点。研究人员认为，在可穿戴和植入式设备领域，柔性压电器件凭借其在小型化、多功能性和低功耗方面的优势，很可能成为未来最有前景的解决方案之一。
论文链接：https://www.nature.com/articles/s41528-025-00432-5
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