开发具有优异电学输出的压电能量收集器(FPEH)，在能源供应、压电传感、健康监测和环境保护等领域具有广阔的应用前景。然而，传统的将无机压电相作为填料分散到聚合物基体中来构建FPEH的方法通常会导致无机压电相团聚，从而限制FPEH的性能。另一方面，当FPEH作为有源自供电传感器使用时，由于压电材料的固有特性，很难检测到力变化率较慢的外部刺激，这导致了其在应力传感方面的局限性。因此，制备出既具有优异的压电性能，又能通过压电模式检测应力分布的FPEH仍然是一个很大的挑战。
针对这一问题，宁波大学罗来慧教授团队引入应力发光粒子ZnS:Cu制备得到应力发光(ML)层，选择BaTiO3和PVDF沉积在玻璃纤维上得到压电层，通过压电复合膜与ML层结合，制备出具有高性能的ML- FPEH，同时实现了自供电的光-电双模应力传感，弥补了压电传感器只能检测动态应力的固有缺点。这项工作以“Flexible Piezoelectric Energy Harvesters with Mechanoluminescence for Mechanical Energy Harvesting and Stress Visualization Sensing”为题发表在《Advanced Functional Materials》上。
图1 ML-FPEH的制备流程
在电学性能方面，在4 N的作用力下，随着频率从0.5 Hz增加到5 Hz，输出电压从25 V增加到58 V（图2 a, b）。考虑到潜在的应用，在频率为1 Hz的周期性压力下测试了ML-FPEH器件的机械耐久性和稳定性。器件的输出性能在超过1000次循环后几乎没有变化，这表明器件具有优异的化学稳定性和机械耐久性（图2 c）。同时测试了不含BT的基于FPEH的PVDF-玻璃纤维布复合膜的输出电压，器件的输出电压几乎为零，这表明ML-FPEH的电输出主要来自BT膜的压电效应（图2d）。
图2 ML-FPEH的电学性能
使用1-500 MΩ的外部负载电阻来评估FPEH的输出功率。当外部负载电阻为5 MΩ时，最大输出功率为43.56 μW cm-2 。为了测试器件的充电能力，ML-FPEH连接到桥式整流电路，计算得到平均充电速率为24.2 nC/循环（图3d），这证实了ML-FPEH的高效充电能力。手指轻触ML-FPEH所产生的电能成功用于驱动连接到0.33 μF电容器的商用黄色LED（图3e）。通过用手掌拍打ML-FPEH，无需任何外部存储系统即可轻松地同时点亮27个商用绿色LED（图3h），以上应用可以有力地证明ML-FPEH出色的能量收集能力。同时，对ML-FPEH的响应速度进行了评价。当手指按下时，响应时间仅为20 ms（图3f）。可以看出，ML-FPEH响应快速，具有作为自供电传感器的潜在应用。
图3 ML-FPEH的能量收集应用
由于ML-FPEH优异的柔性和可适用性，将其固定在人体的不同部位，器件可以从人体运动中有效收集机械能并将其转换为稳定的电输出，实现自供电传感，用于监测人体运动（图4）。
图4 ML-FPEH用于人体运动监测
随着外力的增大，ML-FPEH的发光强度也随之增强，具有良好的线性相关性（图5 a-c）。此外，该装置还可用于通过可视化检测应力分布。使用笔尖在ML-FPEH表面施加动态压力，可以清晰的看到发光图像，通过有限元仿真和灰度处理提取ML图像，可以很容易分析相应的压力分布（图5 d-f）。该器件的力致发光特性在应力可视化、应力传感和防伪装置方面具有广阔的应用前景。
图5 ML-FPEH的光学传感性能
图6 a-d显示了ML-FPNG作为应力传感器通过光-电双模态的应用。当使用笔在ML-FPEH上书写不同的字母时，会有不同的电压信号和视觉图像。施加动态的力可以很明显看到输出电压，但是当施加均匀的力时，没有检测到明显的电压。在整个过程中，肉眼可以清楚地看到绿色ML的强度。单一的电信号不能有效地监测准静态力的变化，而光-电双模态传感器既能提供光信号，又能提供电信号，可以同时对动态力和准静态力进行监测。因此，这种自供电的光-电双模态传感器在多模传感和可穿戴电子皮肤等领域具有广阔的应用前景。
图6 ML-FPEH的光-电双模态传感
综上所述，通过在BT-GFEC/PVDF压电复合膜上封装由PDMS包裹ZnS：Cu颗粒的ML层，制备了具有力致发光和压电性能的ML-FPEH器件。ML-FPEH展现了优异的输出性能(~58 V, ~43.56 μW cm-2)。ML-FPEH还可以有效地从人类活动中获取机械能，并且在1000次循环中仍然显示稳定的输出，确保其可靠性和耐用性。此外，所获得的ML-FPEH在应力作用下具有优异的传感性能，并能输出光信号实现力的可视化，弥补了压电能量收集器件用于应力传感的不足。因此，这项工作为未来在压电-应力发光自供电双模态传感领域提供了新的可能性。
原文链接：https://doi.org/10.1002/adfm.202412507
