兼具大变形和高水平力电耦合效率的材料及器件在航天航空、重大装备、绿色能源等领域中具有重要的应用前景，如在大型卫星天线的在轨展开和服役状态监测、低附加刚度力学量传感器以及机械能量俘获等。以压电效应为代表的新型力-电耦合效能不断取得重大突破，为上述需求提供了有效的解决方案；在应用中，对材料选择、服役温度范围、力学参数等方面不断提出了更加严苛的要求，因此发展兼具大变形和高水平力电耦合效率的材料和器件具有重要意义。
针对上述迫切需求，西安交通大学航天航空学院徐明龙教授团队以其在挠曲电效应及其调控方法的研究积累为基础，设计了“三级跳”式的巨大类压电效应实施方案：即采用具有巨大弹性变形范围的介电弹性体非压电材料，首先对其进行宏观尺度的双轴预拉伸，以改变材料微观尺度的等效电荷中心非对称性、并通过调控交联密度进一步提升挠曲电系数水平；再植入纳米驻极体颗粒并利用其与交联网络尺寸匹配的手段预设局部的微观应变梯度；最后将净电荷“注入”驻极体颗粒并巧妙地利用交联网络进行颗粒的物理约束和锁止，进一步改变微观结构中正、负电荷中心位置，增强了力电耦合效率。力学设计方面，团队利用“戳”的手段在宏观尺度上构造了巨大的局部应变梯度，实现了巨大的挠曲电效应。图1为利用非压电材料的挠曲电原理调控巨大类压电效应的基本原理。图2为 “三级跳”式方法对材料挠曲电效应的提升效果。图3为巨大应变梯度的力学设计思路及类压电系数提升过程。
图1 利用非压电材料的挠曲电效应调控巨大类压电现象的原理
图2 “三级跳”式方法对挠曲电效应的提升效果
图3 巨大应变梯度的力学设计思路及类压电系数提升过程
经测量，该结构的平均等效类压电系数水平达到了4.23 × 103 pC/N，比传统的高分子PVDF压电材料高出2个数量级，具有很好的力电耦合效率。除此之外，基于材料和结构的可设计性，本工作对应的研究方法可针对不同具体服役条件进行兼顾力学参数、几何尺寸、力电耦合系数的定制化设计。
上述研究成果以“Flexoelectric enhanced film for an ultrahigh tunable piezoelectric-like effect”为题，近日发表在工程技术领域权威期刊《Materials Horizons》（IF=15.717）（2022, 9, 2976-2983）上，并被选为2022年第12期封面论文；论文的第一作者为西安交通大学航天航空学院的博士生嵇辉，通讯作者为张舒文副教授和徐明龙教授，西安交通大学为文章唯一通讯单位。
徐明龙教授团队长期专注于高精度作动器件、智能驱动控制技术和高性能类压电材料的研究与应用，相关研究成果已在力学与工程领域权威期刊发表105篇，授权国家发明专利178项，美国专利4项，相关技术已成功应用于多颗卫星。
论文链接：
https://pubs.rsc.org/en/content/articlelanding/2022/mh/d2mh01089e/unauth
