【虚拟专辑】柔性材料(202409)

增材制造柔性压电材料的现状与展望

魏相霞, 张晓飞, 徐凯龙, 陈张伟

无机材料学报    2024, 39 (9): 965-978.

柔性压电材料作为一类重要的功能材料, 具有韧性好、可塑性强、轻量化等优点, 可以实现机械能和电能的相互转换, 并贴附在人体上实时获取人体或环境信息, 在运动检测、健康监测、人机交互等领域具有广阔的应用前景。为满足人们对柔性压电材料结构不断提高的要求, 增材制造技术被广泛用于制造压电材料。该技术有望突破传统压电材料加工和生产的技术瓶颈, 极大提升柔性压电产品的结构自由度和性能, 从而推动柔性压电材料应用的变革。本文在介绍压电材料分类和性能的基础上, 系统阐述了增材制造柔性压电材料的主要工艺种类, 包括熔融沉积、墨水直写、选择性激光烧结、电辅助直写、光固化和墨水喷射等; 总结了增材制造柔性压电材料的结构, 主要有多层结构、多孔结构和叉指结构; 介绍了增材制造柔性压电材料在能量收集、压电传感器、人机交互和生物工程中的应用进展; 最后总结和展望了增材制造柔性压电材料面临的挑战以及未来发展趋势。

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有机-无机共添加增强柔性钙钛矿太阳能电池机械弯曲及环境稳定性能

陈甜, 罗媛, 朱刘, 郭学益, 杨英

无机材料学报    2024, 39 (5): 477-484.

近年来, 钙钛矿太阳能电池发展迅速, 其光电转换效率(Power Conversion Efficiency, PCE)已经提高到26.1%, 但是柔性钙钛矿太阳能电池(Flexible Perovskite Solar Cells, F-PSCs)的机械弯曲和环境稳定性仍然是其商业化的主要障碍。本研究通过添加琼脂糖(Agarose, AG)以改善薄膜的质量和结晶性能, 系统探究了AG对钙钛矿的作用机理, 组装成的F-PSCs的PCE和机械弯曲及环境稳定性能。研究发现当AG添加浓度达到最优值3 mmol/L时, 薄膜表面变得更为致密平滑, 钙钛矿结晶度和吸光度增加。此时器件的陷阱态密度降到最低, 电荷传输电阻低至2191 Ω, 光电性能达到最佳, PCE由15.17%提升至17.30%。进一步引入TiO2纳米颗粒(0.75 mmol/L), 与AG(3 mmol/L)共同作用, 可以提供刚性骨架结构, 增强钙钛矿层的机械性能和环境稳定性。循环弯曲1500次(半径为3 mm)后, AG/TiO2共添加器件可保持初始PCE的84.73%, 远高于空白器件的9.32%; 在空气中放置49 d后, 该器件仍可保持初始PCE的83.27%, 优于空白器件的62.21%。该研究成果为制备高效且稳定的F-PSCs提供了可能性。

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MXenes及其复合物的太赫兹电磁屏蔽与吸收

万胡杰, 肖旭

无机材料学报    2024, 39 (2): 129-144.

开发新型低维材料在太赫兹电磁屏蔽与吸收领域的应用是一个极为重要的研究方向, 低维材料以其独特的电学、力学与电磁响应而有望创造出更加高效的电磁屏蔽与吸收方案。二维过渡金属碳化物、氮化物与碳氮化合物MXenes在低频波段已经展示出优异的电磁屏蔽与吸收性能, 尤其是MXenes兼具高电导率、低密度、高柔性等特点, 有利于未来太赫兹器件便携化与系统集成化。然而, 将MXenes太赫兹电磁屏蔽与吸收材料推向实际应用过程中, 面临着附着稳定性、环境稳定性、不耐高温等问题, 无法满足航空航天和第六代通信场景需求。此外，目前缺乏更加全面的太赫兹散射与吸收验证手段。针对上述问题，研究人员开展了广泛且深入的工作。本文回顾了近年来主流电磁屏蔽与吸收材料的主体构型与基础理论原理, 并重点介绍了多种MXenes及其复合物在薄膜与多孔结构下的太赫兹电磁屏蔽与吸收特性, 包括Ti3C2Tx、Mo2Ti2C3Tx、Mo2TiC2Tx、Nb4C3Tx、Nb2CTx, 并展望了MXenes作为太赫兹频段中电磁屏蔽与吸收材料所面临的挑战和机遇。

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MXene在压力传感中的研究进展

尹建宇, 刘逆霜, 高义华

无机材料学报    2024, 39 (2): 179-185.

近年来, 压力传感器在智能可穿戴纺织品、健康监测、电子皮肤等领域得到了广泛应用。二维纳米材料MXene的出现, 为压力传感带来了全新的突破。Ti3C2Tx是压力传感领域研究最多的MXene, 具有良好的机械性能、高导电性、优异的亲水性以及广泛的可修饰性, 是理想的压力传感材料。因此, 近些年研究者们对MXene在压力传感器中的设计和应用进行了大量探索和研究。本文总结了MXene的制备技术和抗氧化方法。同时介绍了基于MXene的微结构设计, 包括气凝胶/多孔结构材料、水凝胶、柔性衬底和薄膜。该类设计有利于提高压力传感器的响应范围、灵敏度和柔韧性, 促进了压力传感器的快速发展。此外, 进一步探讨了MXene压力传感器的工作机制, 包括压阻式、电容式、压电式、摩擦电式、电池式和纳米流体式等。MXene以其优异的特性而在各种机制的传感器中得到了广泛应用。最后, 对MXene材料的合成、性质以及其在压力传感方面的机遇和挑战进行了展望。

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二维MXenes材料在柔性光电探测器中的应用展望

李腊, 沈国震

无机材料学报    2024, 39 (2): 186-194.

二维过渡金属碳/氮化物(MXenes)自2011年被首次报道以来, 凭借其特殊的二维层状结构、优异的导电性和电化学性能在能源、催化、传感、电磁屏蔽和微波吸收等领域吸引了极大关注。近几年, 随着对该材料认识的不断加深, 其在光电领域的研究也不断深入。与其它领域不同, 光电器件聚焦于延伸MXenes材料半导体性质, 通过设计表面官能团、精准控制层数等来打开材料带隙, 从而使其从金属性质转变为半导体性质。本文主要围绕MXenes材料的光电性质, 介绍其在柔性光电子器件中的应用, 系统阐述MXenes材料在透明电子器件、光电探测器、图像传感器、光电晶体管、人工神经视觉网络系统的应用前沿现状与趋势, 并展望了MXenes基柔性光电器件面临的挑战以及未来发展前景。

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基于硅酸铝纤维的柔性氧敏感元件的制备和性能

赵雅文, 屈发进, 汪岩屹, 王智文, 陈初升

无机材料学报    2024, 39 (10): 1084-1090.

柔性传感器可以适应各种复杂环境和曲面形状, 在生物医学、环境监测和智能可穿戴设备等领域具有广泛的应用前景。本研究旨在研发高稳定性的荧光淬灭型柔性氧敏感元件。采用硅酸铝纤维作为载体, 聚二甲基硅氧烷(Polydimethysiloxane, PDMS)作为基质, 四(五氟苯基)卟啉铂(Platinum(II)-5,10,15,20-tetrakis-(2,3,4,5,6-penta- fluorophenyl)-porphyrin, PtTFPP)荧光分子作为氧探针, 制备了柔性氧敏感元件。该元件的水接触角高达152°, 显示出超疏水性, 这有助于提升其在潮湿气氛和水溶液中的稳定性。元件对气相氧和溶解氧均表现出荧光淬灭效应, 荧光强度与氧含量之间的关系符合Stern-Volmer方程, 其气相Stern-Volmer常数KSV为0.020 h·Pa-1, 水相Stern-Volmer常数KSV为2.94 L·mmol-1。该氧敏感元件具有出色的循环可恢复性和响应性能: 从氮气切换至氧气的响应时间为0.9 s, 从氧气切换至氮气为2.7 s。此外, PtTFPP-PDMS膜具有出色的稳定性, 暴露于100 ℃水蒸气15 h、在pH 1~10的水溶液中浸泡和经历400次的弯曲循环后, 其相对荧光强度和水接触角均无明显变化。以硅酸铝纤维为载体的 PtTFPP-PDMS柔性元件具有优异的荧光氧敏感性和稳定性, 有望用于苛刻条件下气相氧和溶解氧的测定。

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锂硒电池ZIF-L衍生氮掺杂碳纳米片/碳布自支撑电极的电化学性能研究

荀道祥, 罗序维, 周明冉, 何佳乐, 冉茂进, 胡执一, 李昱

无机材料学报    2024, 39 (9): 1013-1021.

硒(Se)因其较高的体积比容量(3253 mAh·cm-3)和电子电导率(1×10-5 S·m-1)而成为新一代锂硒(Li-Se)电池储能材料。针对其反应过程中体积膨胀较大、容量衰减较快以及活性物质利用率低等问题, 本研究通过在碳布(CC)上生长二维Zn基金属有机框架(ZIF-L)并碳化, 设计了一种ZIF-L衍生氮掺杂碳纳米片/硒自支撑复合材料(Se@NC/CC)用于锂硒电池研究。ZIF-L碳化形成的氮掺杂碳纳米片中丰富的微孔结构有效缓解了反应过程中的体积膨胀, 掺杂N原子有利于吸附反应过程中的Li2Se, 减少活性物质损失。特别地, Se@NC/CC电极中Se和C之间存在强的化学键作用, 在一定程度上也可以减少活性物质损失, 提高整体性能稳定性。电化学测试表明, 在0.5C(1.0C=675 mAh·g-1)电流密度下, Se@NC/CC电极的初始放电比容量为574 mAh·g-1, 展现出高初始放电比容量; 电流密度为2.0C时, 初始放电比容量为453.3 mAh·g-1, 循环500圈后仍然具有406.2 mAh·g-1的容量; 同时也表现出了良好的倍率性能, 与文献报道相比有较明显的优势。本研究设计的柔性自支撑硒电极为先进碱金属-硒电池的硒宿主材料设计提供了新的研究思路。

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柔性压电器件及其可穿戴应用

冒爱琴, 陆文宇, 贾洋刚, 王冉冉, 孙静

无机材料学报    2023, 38 (7): 717-730.

可穿戴设备是能穿在身上, 实时获取人体或环境信息并进行传递和处理的功能设备, 在医疗健康、人工智能、运动娱乐等领域具有广阔的应用前景。随着可穿戴设备的发展, 各类柔性传感器应运而生。基于压电效应的柔性力学传感器因具有感应频率宽、响应快、线性好、自供电等优势而备受关注。然而传统的压电材料多为脆性陶瓷和晶体材料, 限制了其在柔性方面的应用。随着研究的深入, 越来越多的柔性压电材料和压电复合材料不断涌现, 给柔性可穿戴力学器件注入了新的发展活力。本文主要概括了柔性可穿戴压电器件的前沿进展, 包括压电原理、柔性压电材料的制备与性能提升方法。此外, 还详细总结了柔性可穿戴压电设备的主要应用方向, 包括医疗健康和人机交互, 以及遇到的挑战与机遇。

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本征可拉伸阈值型忆阻器及其神经元仿生特性

田雨, 朱小健, 孙翠, 叶晓羽, 刘慧媛, 李润伟

无机材料学报    2023, 38 (4): 413-420.

研制具有生物神经元信息功能的柔性电子器件对于发展智能穿戴技术具有重要意义。传统阈值型忆阻器可模仿神经元信息整合功能, 但因缺乏本征柔韧性, 难以满足应用需求。本工作制备了一种基于本征可拉伸阈值型忆阻器的柔性人工神经元, 它由银纳米线-聚氨酯复合介质薄膜和液态金属电极构成。在外加电压下, 器件呈现良好的阈值电阻转变特性, 这归因于银纳米线间形成非连续银导电细丝的动态通断。该器件可模仿生物神经元的信息整合-发放及脉冲强度和脉冲间隔调制的尖峰放电功能。在20%拉伸应变下, 器件工作参数基本保持稳定, 性能未发生明显退化。本工作为发展可拉伸柔性人工神经元及下一代智能穿戴设备提供重要材料和技术参考。

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柔性神经形态晶体管研究进展

杨洋, 崔航源, 祝影, 万昌锦, 万青

无机材料学报    2023, 38 (4): 367-377.

近年来, 受人脑独特工作模式的启发, 利用人工神经形态器件模拟突触和神经元的感知与计算功能吸引了广泛关注。到目前为止, 已经有很多关于神经形态晶体管的报道, 但绝大多数器件是在刚性衬底上加工的。柔性神经形态晶体管不仅可以同时实现信号传输和训练学习, 对多路信号进行非线性的时空整合与协同调控, 而且能密切贴合柔软的人体皮肤, 承受器官和组织的高生理应变。更重要的是, 柔性神经形态晶体管具有可设计的灵活性和优异的生物兼容性, 在检测生物环境中生理相关时间尺度的低幅信号方面具备独特的优势和应用潜力。柔性神经形态晶体管已经广泛应用于电子皮肤、人工视觉系统、智能可穿戴系统等领域。目前, 研制低功耗、高密度集成的柔性神经形态晶体管是研究的首要任务之一。本文综述了基于不同柔性衬底的神经形态晶体管的研究进展, 并展望了柔性神经形态晶体管的未来应用前景，这将为未来柔性神经晶体管的研制以及智能计算和感知应用提供比较详实的参考。

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氧化锆间隔层的低温喷涂制备及其三层结构钙钛矿太阳能电池应用性能

张万文, 罗建强, 刘淑娟, 马建国, 张小平, 杨松旺

无机材料学报    2023, 38 (2): 213-218. 

氧化钛/氧化锆/碳三层结构钙钛矿太阳能电池(Perovskite solar cells, PSCs)具有原材料廉价、制备工艺易放大和稳定性好等优势, 受到了广泛关注。但三层结构PSCs的低温制备研究进展缓慢, 主要原因之一在于难以在低温条件下构建合适的氧化锆间隔层。本研究以尿素为孔隙率调节剂, 用简单的喷涂法制备多孔氧化锆间隔层用于三层结构PSCs。通过调节喷涂次数优化氧化锆层厚度为1100 nm时, 电池的性能最优, 单电池功率转换效率达到14.7%, 5块电池串联模块(5×0.9 cm×2.5 cm)达到10.8%。PSCs在恒温恒湿箱(25 ℃, 湿度40%)保存200 d, 功率转换效率保持稳定, 没有明显下降。柔性基底上的氧化锆层经50次弯曲测试后保持完整, 未见脱落。与传统的丝网印刷氧化锆间隔层制备方法相比, 本研究的喷涂方法具有方法简便、操作温度低、与柔性基底兼容性好的优点。

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柔性PDMS基介电复合材料的电场及击穿损伤形貌演变规律研究

陈雷, 胡海龙

无机材料学报    2023, 38 (2): 155-162.

与其它储能设备相比, 由介电复合材料制得的介质电容器在快速充放电能力与高功率密度方面极具优势, 如何提高介电复合材料能量密度与优化其击穿性能已成为当前研究热点之一。为进一步调控并兼顾介电常数与击穿性能, 本工作基于DBM(Dielectric Breakdown Model, 介电击穿模型), 采用有限元数值模拟, 研究了无机填料的分布对柔性聚二甲硅氧烷(PDMS)基介电复合材料体系的电场与发生介电击穿时击穿损伤形貌演变的具体影响。研究结果表明: 填料与基体边界处存在较大的介电差异, 可以使用较大介电常数的聚合物基体或较小介电常数的无机填料来减小其界面处的高电场区域, 继而提高复合材料的耐击穿能力；同时发现当无机填料分散更均匀时, 其树状损伤通道更容易产生分支, 此种情况将使介电击穿的树状损伤通道的损伤位点增多, 延缓其损伤速度, 继而提高复合材料的耐击穿性能。该研究结果将为开发高储能密度且具有优异击穿性能的有机-无机复合电介质材料提供坚实的理论依据。

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高导电性生物质碳布的制备及其燃料电池气体扩散层性能

田煜彬, 田超凡, 李森, 赵永鑫, 邢涛, 李智, 陈萧如, 向帅蓉, 代鹏程

无机材料学报    2023, 38 (11): 1316-1322.

气体扩散层(GDL)是质子交换膜燃料电池(PEMFCs)的关键部件之一, 成本占燃料电池膜电极的40%~50%。开发低成本、高性能的GDL生产工艺, 可以降低燃料电池成本, 推动燃料电池商业化进程。本研究以纤维素棉布为原料, 通过铁基化合物的催化石墨化作用, 在较低温度(1500 ℃)下生成了一种高导电、高孔隙率的柔性生物质碳布。碳布由相互连接的微米级碳纤维组成, 形成了丰富的孔道, 其孔隙率为76.93%。经过铁基化合物催化, 碳纤维的表面原位生成了大量碳纳米管团簇, 增加了碳布的导电性, 使其平面电阻率降低至34 mΩ·cm, 垂直电阻率在 2 MPa压力下降低至2.8 mΩ·cm, 性能达到商业碳布的标准。生物质碳布作为气体扩散层的燃料电池在0.7 A·cm-2电流密度处功率密度达到0.4 W·cm-2, 超过了相同催化剂(Pt)负载量的商业碳布(0.34 W·cm-2)的电池功率密度。本研究制备的生物质碳布制备简单、价格低廉、性能优秀, 为开发低成本、高性能气体扩散层提供了新的思路。

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锂硫电池S@pPAN正极用柔性黏结剂研究

李婷婷, 张阳, 陈加航, 闵宇霖, 王久林

无机材料学报    2022, 37 (2): 182-188.

硫化聚丙烯腈(S@pPAN)作为锂硫电池正极材料实现了固-固转化反应机制, 没有多硫离子溶解现象, 但电化学循环过程中出现明显的体积变化, 其表界面特性对电化学性能具有重要影响。本研究以单壁碳纳米管(SWCNT)与羧甲基纤维素钠(CMC)复配作为S@pPAN正极黏结剂, 调控S@pPAN表界面并缓解充放电过程中的体积变化。在2C(1C=1672 mA∙g-1)电流密度下, 电池循环140圈后容量保持率为84.7%, 在7C的大电流密度下仍能维持 1147 mAh∙g-1的高比容量。加入SWCNT后复配黏结剂薄膜的极限拉伸强度提升了41倍, 并且复配黏结剂能在循环中维持更加稳定的正极界面, 有效提升了锂硫电池的循环稳定性。

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退火条件对磁控溅射MgO-Ag₃Sb-Sb₂O₄柔性薄膜热电性能的影响

刘丹, 赵亚欣, 郭锐, 刘艳涛, 张志东, 张增星, 薛晨阳

无机材料学报    2022, 37 (12): 1302-1310.

MgAgSb是一种具有潜力且元素储量相对丰富的室温热电材料, 有望用于构建高性能可穿戴温差电池。本研究尝试在聚酰亚胺(PI)基底上磁控溅射制备MgAgSb薄膜, 并系统研究退火条件对其热电性能的影响。结果表明样品未形成纯相的MgAgSb柔性热电薄膜, 而是形成了由Ag3Sb、MgO及Sb2O4多相组成的柔性薄膜, 其中Ag3Sb起主要热电功能。不同气氛退火可以显著提升MgO-Ag3Sb-Sb2O4 (Mg-Ag-Sb)柔性薄膜的热电性能, 其中真空处理性能最佳。在真空条件下, 随着退火温度升高, 柔性薄膜的热电性能呈现先增加后减少的趋势, 当退火温度为573 K时热电性能最佳, 室温附近功率因子达到74.16 μW∙m-1∙K-2。并且, 薄膜表现出较好的柔性, 弯曲900次后, 电导率仅变化了14%。本研究为MgAgSb柔性热电薄膜的制备及可穿戴应用提供了参考。

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柔性有机硅气凝胶的制备及其高温无机化转变研究

罗艺, 夏书海, 牛波, 张亚运, 龙东辉

无机材料学报    2022, 37 (12): 1281-1288.

二氧化硅气凝胶以其低密度、高孔隙率等特性在高温隔热领域显示出广阔的应用前景, 但其脆性和高成本的超临界干燥方式限制了其应用。本研究以乙烯基三甲氧基硅烷(VTMS)和乙烯基甲基二甲氧基硅烷(VMDMS)为前驱体, 通过溶胶凝胶、常压干燥制备了具有高柔性的海绵状有机硅气凝胶, 并研究了前驱体摩尔比对气凝胶微观结构和压缩回弹性能的影响, 以及气凝胶分别在高温有氧和无氧环境中的无机化转变过程。结果表明, 随着前驱体中VTMS/VMDMS比例增加, 气凝胶颗粒变小且堆积更紧密, 其压缩回弹性能也随之降低; 在800 ℃空气氛围中, 气凝胶通过侧基的氧化和主链Si-O-Si的断裂、重排转化为无机SiO2; 在800 ℃ N2氛围中, 气凝胶通过裂解反应转化为无机SiO2和游离碳的混合体, 1000~1400 ℃进一步处理后SiO2和游离碳经碳热还原反应生成SiO4、SiCO3、SiC2O2和SiC3O等无定形的Si-O-C结构和少量β-SiC纳米线; 经1200 ℃碳热还原反应生成的Si-O-C结构具有最优的耐高温氧化性能, 可为制备耐高温氧化Si-O-C气凝胶提供参考。

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高红外遮蔽SiZrOC纳米纤维膜的制备及其性能研究

张晓山, 王兵, 吴楠, 韩成, 刘海燕, 王应德

无机材料学报    2022, 37 (1): 93-100.

陶瓷纤维具有较好的力学、耐高温和抗热震性能, 是重要的高温隔热材料。目前, 传统陶瓷纤维膜高温隔热性能不佳, 限制了其在高温隔热领域的应用。本研究采用静电纺丝技术制备了具有高红外遮蔽性能的SiZrOC纳米纤维膜, 纤维的平均直径为(511±108) nm, 组成为SiO2、ZrO2、SiOC和自由碳。SiZrOC纤维膜展现出优异的高温隔热性能。在1000 ℃时, SiZrOC纤维膜的热导率仅为0.127 W·m-1·K-1, 明显低于其他传统陶瓷隔热纤维。此外, SiZrOC纤维膜还具有较高的强度、良好的柔性和优异的耐高温性能, 在高温隔热领域具有极大的应用潜力。本研究可以为制备其他高性能隔热材料提供新的思路。

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