近日，航空科学与工程学院固体力学研究所邵丽华教授与向锦武院士和邢誉峰教授合作在Science Advances发表了题为“A flexoelectricity-enabled ultrahigh piezoelectric effect of a polymeric composite foam as a strain-gradient electric generator”的研究论文，报道了关于超高挠曲电效应的最新研究成果。航空学院博士研究生闫东泽同学为第一作者，邵丽华教授为唯一通讯作者，北京航空航天大学为第一和唯一通讯单位。
邵丽华教授团队在前期的工作中，基于无序多孔结构在外力作用下其内部韧带会发生弯曲变形的力学机制，以及在轻质多孔材料力电耦合性能研究方向的丰富经验，发现了聚合物多孔结构可以实现超高的挠曲电输出，并建立了多孔结构的挠曲电效应理论模型，系统地揭示了多孔材料挠曲电响应的力学和物理机制。
近日，该课题组与合作者通过设计复合材料提高等效挠曲电系数、优化多孔结构韧带的长细比、设计压-扭耦合变形模式增加应变梯度，以及布置多个感应电极收集电荷等方案，制备了钛酸铜钙（CCTO）纳米颗粒填充聚二甲基硅氧烷（PDMS）多孔复合材料，实现了多孔材料在宏观尺度上更高的挠曲电输出：多孔复合材料的比质量挠曲电流输出比已报道的实体基体材料高10,000倍，其等效表观压电系数超过无铅压电陶瓷，并可与具有最高压电系数的含铅压电陶瓷媲美；比密度等效压电系数超出常用压电陶瓷PZT的120倍、压电聚合物-PVDF的380倍；复合泡沫在100万次循环变形下，力学性能和挠曲电输出依然稳定；提出了“应变梯度发电机（Strain-Gradient Electric Generator, SGG）”的概念，将此材料制成鞋垫、以及填充在一个球壳中，分别通过正常行走和摇动球壳产生电流，可为手机、蓝牙耳机充电，以及点亮LED灯。纳米颗粒填充PDMS多孔复合材料具有柔性、轻质、高效的特点，既可以作为高灵敏度的全向力电耦合柔性传感器，又可作为一种轻质柔性应变梯度发电机，可以适应广泛的应用场景。
超高挠曲电效应
基于具有超高挠曲电效应的应变梯度发电机的性能及应用 该工作受到《Science Advances》多位审稿人的高度评价，认为：“通过巧妙的设计在无铅复合材料中实现极高的挠曲电输出是一项令人激动的最新成果”，“该工作首次展示了基于挠曲电的发电机的实际应用，在领域内是领先的”，“基于复合泡沫的应变梯度发电机的性能令人赞叹”，“具有等效压电效应的多孔材料的应用前景十分广阔”。
论文的合作者还包括北京大学王建祥教授。该研究得到了北京市杰出青年科学基金，以及国家自然科学基金的支持。邵丽华教授团队长期致力于固体力学领域轻质材料力电耦合力学的理论和实验研究，在该方向取得了一系列创新研究成果。
该论文的原文链接：http://www.science.org/doi/10.1126/sciadv.adc8845
文章来源：北航
邵丽华，北航教授。面向航空航天领域需求和力学学科前沿，致力于固体力学领域轻质材料力电耦合理论与方法研究，以及针对无人机、变体飞行器和人体防护装置的轻质力电传感器的研制与应用研究。在微纳米结构非均质材料的力学理论、考虑复杂微结构、表面效应及多场耦合等特征的力电耦合模型、力电耦合实验测量表征及功能器件设计与实现等方面取得了一系列创新成果。研究成果发表于《J. Mech. Phys. Solids》、《Sci. Adv.》、《Adv. Mater.》、《Extreme Mech. Lett.》、《Compos. Struct.》、《Adv. Funct. Mater.》、《Appl. Phys. Lett.》等国际著名期刊，受到国内外学者的广泛引用和好评。近年来主持国家自然科学基金面上项目、青年基金项目、北京市杰出青年科学基金项目、总装预研项目、重点实验室学科发展基金等多项基础或应用课题研究等科研项目。入选北京航空航天大学青年拔尖人才支持计划。
向锦武，男，汉族，1964年出生，湖南岳阳人，中共党员。1980年本科毕业于南航，1984年至1987年在中国直升机设计研究所工作，1990年硕士毕业于西工大，1993年博士毕业于南航，1995年南航博士后出站后到北航工作至今。现任北京航空航天大学教授、博士生导师、无人系统研究院总设计师。2019年11月，当选中国工程院院士。兼任北京航空航天大学校学术委员会副主任，“航空科学与技术”国家实验室（筹）首席科学家，“智能无人飞行系统先进技术”工信部重点实验室主任，中国航空学会无人机及微型飞行器分会副主任，中国宇航学会无人飞行器分会常务理事。 长期从事无人机系统设计技术研究与型号研制工作，先后获国家、省部级科技进步奖10项，以第一完成人获国家科技进步一等奖2项；获国务院政府特殊津贴、何梁何利创新奖；入选国家百千万人才工程，并被授予“有突出贡献中青年专家”、北京市先进工作者等荣誉。授权国家发明专利50余项；发表论文200余篇。已培养博士后8名、博士29名。
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发表于 2023-1-18 09:55:54
