通过协同增强效应和渗透效应实现可编程的高性能三元压电纳米发电机

《Materials Today Chemistry》：Programmable high-performance ternary piezoelectric nanogenerators by synergizing reinforcement effect and percolation effect

压电纳米发电机通过协同机械强化与介电渗流策略，利用碳化聚丙烯腈纤维优化拓扑结构，显著提升压电系数（d33提升39%）和压力灵敏度（101.6%），并构建了高精度（98%）材料识别系统，为高性能软电子开发提供新范式。

　　近年来，随着物联网（IoT）和人工智能（AI）技术的迅猛发展，压电纳米发电机（PENGs）因其将机械运动转化为电能的能力而备受关注。特别是在柔性电子和可穿戴设备领域，PENGs展现出广阔的应用前景。其中，基于聚合物复合材料的压电纳米发电机融合了陶瓷材料的高压电响应特性和聚合物的柔韧性，成为人机交互、能量收集以及个性化移动医疗等场景中的理想选择。然而，陶瓷与聚合物之间显著的弹性模量和介电常数差异，成为提升其机电耦合效率的瓶颈。

研究者们发现，陶瓷填料的拓扑结构和空间分布模式在很大程度上决定了陶瓷-聚合物复合材料的弹性模量、应力传递能力、介电常数以及压电系数。例如，在恒定体积分数的前提下，具有高长宽比的纳米线相较于纳米颗粒或纳米片等结构，展现出更优异的压电响应性能。此外，沿应力方向单向堆叠的陶瓷填料，如纳米颗粒或纳米棒，能够增强填料之间的机械协同效应，从而提升压电系数和机电耦合效率。这种机械增强的策略已经通过多种加工技术实现，包括电泳对齐、铸造对齐陶瓷棒、电纺纤维以及增材制造等。然而，这些方法各自存在固有的局限性，如电泳对齐需要复杂的设备，铸造过程容易产生脆性或缺陷，电纺技术在可扩展性和环境稳定性方面存在挑战，而增材制造则在材料选择范围上较为狭窄。

与此同时，介电渗透现象在复合材料中也扮演着重要角色。当两种相的物理性质存在巨大差异时，介电渗透可以在接近渗透阈值时引起材料性能的突变。由于陶瓷的介电常数通常是聚合物的两到三个数量级，因此在界面处调控介电常数的差异，成为提升PENGs性能的一种有效途径。目前，已有大量研究尝试通过引入导电材料，如碳纳米管、石墨烯及其衍生物、MXene、金属纳米颗粒等，来优化纳米复合材料的介电性能，从而触发介电渗透效应。这些材料通过构建三维的导电网络，增强复合材料的整体介电常数，同时在基体与填料的界面处形成电荷不平衡，促进局部电荷存储，进一步提升介电性能。

在这一背景下，研究者们提出了一个创新的策略，即通过同时优化机械增强和介电渗透，实现压电性能的显著提升。这种方法的核心在于对掺杂的碳化聚丙烯腈（PAN）纤维（CF）的几何参数进行调控，从而设计出具有特定拓扑结构的三元压电纳米发电机（PTPN）。通过高通量的有效性能模拟和详细的实验表征，研究团队揭示了如何通过调整CF的几何属性（如长宽比和纤维负载量）直接影响复合材料的拓扑结构（如介电渗透网络），进而指导CF增强复合材料的介电性能和宏观性能的优化。

实验结果表明，通过采用理论预测的CF最优长宽比和负载量，压电系数（d??）和机电耦合效率（k??）分别提升了39%和50%。同时，PTPN表现出优越的传感性能，其线性度（R2）达到0.991，灵敏度（S）为0.899 V/N，远超传统二元复合材料的0.937和0.446 V/N。此外，研究团队还开发了一种定制化的广义回归神经网络（GRNN），实现了高保真度的材料识别，准确率达到98%。这一成果不仅揭示了复合材料压电纳米发电机的基本机制，还为高性能柔性电子器件的设计与开发提供了新的思路。

为了实现这一目标，研究团队首先对碳化纤维的制备工艺进行了系统优化。他们配置了纺丝溶液，将1.2克聚丙烯腈（PAN）粉末与8.8克N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶剂混合，搅拌12小时后得到12 wt%的PAN溶液。在电纺过程中，通过调节针头与滚筒之间的距离（设定为15厘米），并使用铝箔作为收集基底，实现了对纤维直径的精确控制。滚筒的转速被设定为60转/分钟，以确保纤维的均匀分布和良好的成型质量。随后，通过球磨处理进一步优化了CF的长度-宽度比，使其具备优异的导电性和机械性能。

PTPN的结构设计基于对CF、压电陶瓷（PZT）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）聚合物的均匀混合。通过合理的几何参数调控，研究团队成功构建了具有特定拓扑结构的CF增强复合材料。这种结构不仅能够有效增强机械性能，还能够在介电渗透方面实现显著提升。实验结果显示，CF的高刚性和优异导电性分别促进了机械增强和介电渗透，从而共同提升了PTPN的压电性能和机电耦合效率。

此外，研究团队还通过高通量有效性能计算，对材料的组成和拓扑结构进行了系统优化。这种计算方法能够快速评估不同参数组合对PENGs性能的影响，从而为设计高性能的PTPN提供理论指导。通过与实验数据的对比，研究团队验证了理论预测的有效性，并进一步优化了CF的几何参数，使其在实际应用中表现出最佳的性能。

在实际应用中，PTPN不仅能够实现高效的能量收集，还能够用于高精度的传感系统。其优异的线性度和灵敏度使其在生物医学、环境监测和智能穿戴设备等领域具有广泛的应用潜力。通过结合低计算量的算法，研究团队实现了对材料性能的高保真度识别，为PTPN的规模化生产和实际应用提供了可靠的技术支持。

综上所述，这项研究通过引入一种双增强策略，即机械增强和介电渗透，成功设计并开发出高性能的三元压电纳米发电机（PTPN）。该策略不仅克服了传统二元复合材料在机电耦合效率方面的不足，还为高性能柔性电子器件的设计与开发提供了新的范式。通过合理的几何参数调控和材料选择，PTPN在压电性能、机电耦合效率和传感性能方面均表现出显著提升，为未来可穿戴电子和柔性传感器的发展奠定了坚实的基础。