摘要：无铅压电陶瓷作为现代陶瓷工业的基本组成部分之一，因其安全性和环境可持续性而受到重视。其中，具有优异的介电、铁电、压电和光电性能的钛酸钡（BaTiO3）陶瓷材料在电子器件、能源、环境、催化以及医学等领域备受关注。然而，陶瓷材料固有的脆性极大的限制了BaTiO3的
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青岛大学龙云泽教授、张俊副教授和清华大学伍晖教授：可压缩的多功能压电陶瓷纳米纤维气凝胶
无铅压电陶瓷作为现代陶瓷工业的基本组成部分之一，因其安全性和环境可持续性而受到重视。其中，具有优异的介电、铁电、压电和光电性能的钛酸钡（BaTiO3）陶瓷材料在电子器件、能源、环境、催化以及医学等领域备受关注。然而，陶瓷材料固有的脆性极大的限制了BaTiO3的广泛应用，尤其是开发轻质和柔性的BaTiO3陶瓷纳米纤维气凝胶仍然极具挑战。
近日，青岛大学龙云泽教授、张俊副教授和清华大学伍晖教授团队在期刊《Advanced Fiber Materials》上，发表了最新研究成果“Compressible piezoelectric ceramic nanofiber aerogels with multifunction”。研究者利用非晶态Al2O3修复BaTiO3纳米纤维中缺陷的策略来解决BaTiO3纳米纤维的脆性问题，并且通过空气动力学模拟优化了溶液喷射纺丝工艺，从而制备出柔性且可压缩的BaTiO3/Al2O3陶瓷纳米纤维气凝胶（BTAAs）。该气凝胶具有出色的力学性能，例如11%的拉伸应变，80%的弹性压缩应变以及良好的耐疲劳性能。
此外，该气凝胶在多个方面表现出优异的性能。例如，柔性电子（压电响应：78 ms）、热防护（热导率：0.0275 W·m-1·K-1）、吸音（降噪系数：0.67）和高温过滤（过滤效率：PM0.3≥99.96%）。该工作为柔性压电陶瓷气凝胶的大规模生产和广泛应用奠定了基础。
如图1所示，基于空气动力学模拟优化了溶液喷射纺丝的湍流场稳定性并降低了湍流的冲击力。通过该工艺直接制备了具有3D结构的纤维海绵前体，随后通过煅烧得到了轻质（30 mg·cm-3）、高孔隙率（98%）且具有良好柔性的BTAAs。
图1：纺丝工艺优化及BTAAs的制备。
SEM的结果显示了BTAAs的纳米纤维网络及其层状结构，层状结构的产生是由于湍流沿纤维层的扩散行为。XRD和XPS结果证明了四方相BaTiO3的存在且Al2O3为非晶态。非晶态Al2O3的引入不仅可以修复纤维中由于聚合物分解而产生的缺陷，还可以抑制BaTiO3晶粒的生长，这有助于提升材料的力学性能。
图2：BTAAs的材料表征。
拉伸测试结果证明了Al2O3的引入显著提升了材料的力学性能，这得益于非晶物质良好的柔性及其对纤维缺陷的修复。此外，研究者通过分子动力学模拟从分子层面上解释了力学性能增强的机制。研究表明，非晶的粘性蠕变特性可以抑制晶体的滑移，从而使纤维的延展性得到了极大的提升。由于纤维良好的力学性能以及层状结构的构建，BTAAs具有出色的变形能力。如图3所示，BTAAs具有出色的压缩回弹性和耐疲劳性能。
图3：分子动力学模拟及压缩测试
图4：BTAAs的压电传感与隔热性能。
如图4所示，基于BTAAs的压电器件可以快速响应不同的外界应力（响应时间：78 ms），并且由于其良好的柔性，该压电器件可用来监测关节部位的弯曲情况。材料结构方面，由于BTAAs的结构优势（多孔和层状），其导热系数较低（0.0275 W·m-1·K-1），这低于大多数热防护材料的热导率。此外，BTAAs的机电转换能力与结构优势结合有助于声能的耗散以及空气过滤（静电吸附）。如图5所示，BTAAs具有高达0.67的降噪系数（NRC）和优异的高温过滤性能（PM0.3≥99.96%，压降：166 Pa），达到了高效吸声和过滤材料的标准，并且优于大多数的吸声和高温过滤材料。因此，BTAAs在智能传感、热防护、吸音以及空气过滤方面有着巨大的应用潜力。
图5：BTAAs的吸音与高温过滤性能。
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人物简介：
龙云泽，青岛大学物理学院教授，先进纳米纤维创新研究院院长，山东省中法纳米纤维和光电器件合作研究中心主任，山东省高等学校国际合作联合实验室（静电纺丝功能微纳米纤维）主任，全国模范教师，教育部新世纪优秀人才，山东省泰山学者，山东省有突出贡献的中青年专家，山东省杰青，国际先进材料学会Fellow。长期从事静电纺丝功能纳米纤维的制备以及在能源催化、伤口敷料、过滤分离、传感器、纺织面料等方面的应用。在Chem Soc Rev, Prog Polym Sci, Prog Mater Sci, Nature Mater, Nature Commun, Adv Mater, Angew Chem等发表论文490多篇（入选全球前2%顶尖科学家以及中国高被引学者）；参编英文专著13本；授权国内专利140余项，国外专利7项，转让/许可专利17项。获中国发明创业奖创新奖一等奖、国防科技创新大赛一等奖、山东省自然科学奖二等奖、北京市科学技术奖二等奖、中国产学研合作创新成果奖二等奖等。
张俊，青岛大学物理学院副教授，青岛大学特聘教授，先进纳米纤维创新研究院副院长。目前主要围绕物理学、材料学、化学、医学等多学科交叉，以静电纺丝技术、溶液吹纺技术制备功能性纳米纤维为目标，重点开展了荧光传感检测、信息防伪加密、新型医用敷料、药物靶向释放、纳米发电机、接触电催化、过滤分离等应用研究。近年来，在Adv Funct Mater、Adv Fiber Mater、Chem Eng J、Nano Energy、Nano Research、Mater Horizons等发表SCI论文80多篇，许可/转让中国专利2项，荣获中国发明创业奖创新奖一等奖、国防科技创新大赛一等奖、中国产学研合作创新成果奖二等奖等。作为项目负责人主持国家自然科学基金青年基金、山东省自然科学基金、中国博士后基金、军工重点项目子课题、企业横向课题等。担任Chem Eng J、ACS Appl Mater Interfaces、Adv Opt Mater、Opt Express等国际期刊审稿人。
伍晖，清华大学材料学院长聘教授，国家自然科学基金委杰青、北京市杰青、青年“973计划”项目首席科学家。2004年清华大学化学工程系获工学学士学位，2009年清华大学材料科学与工程系获工学博士学位，2009-2013年在美国斯坦福大学材料系崔屹教授课题组做博士后，2013年5月起在清华大学材料学院工作。长期研究方向包括超细纤维材料、电化学储能材料、锂电材料的回收和锂盐提纯、电解水材料和科学。目前以通讯作者身份在Nature Energy、Nature Sustainability、Science Advances、Nature Communications、Matter、Advanced Materials、Angew Chem - Int Ed等国际知名学术期刊发表学术论文超过300篇，授权发明专利30多项，出版专著章节1章，发表论文被引用超过4万次，H因子75。曾荣获北京市科技进步三等奖、中国产学研合作创新奖、麻省理工科技评论全球35位35岁以下青年创新人物、教育部青年科学奖、中国材料研究学会科学技术奖一等奖等。
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来源：科学减脂