可實現(xiàn)機(jī)械能和電能之間轉(zhuǎn)換的壓電材料廣泛應(yīng)用于集成微電子系統(tǒng)中。其中，鋯鈦酸鉛（PZT）基陶瓷以及最新的鈮酸鉀鈉（KNN）基無鉛壓電陶瓷等表現(xiàn)出優(yōu)異的壓電性能，但由于陶瓷的脆性、易碎等不足，在柔性電子器件制備與應(yīng)用方面遇到許多困難。此外由于壓電陶瓷制備過程中需要較高的溫度，PZT陶瓷也難以集成到硅基微系統(tǒng)中。在這種情況下，有機(jī)聚合物聚偏氟乙烯（PVDF）材料更具吸引力。

傳統(tǒng)上，為了獲得壓電性，首先，需要對有機(jī)聚合物PVDF進(jìn)行單軸拉伸，將PVDF聚合物中高分子α晶相轉(zhuǎn)變?yōu)棣戮?；其次，需要通過每毫米10萬伏（10? V/mm）的強(qiáng)電場對PVDF聚合物進(jìn)行極化，使隨機(jī)取向的分子偶極子沿電場方向取向排列，從而產(chǎn)生宏觀壓電效應(yīng)。雖然PVDF的共聚物（PVDF-TrFE）具有較高含量的β相而無需經(jīng)歷單軸拉伸，但仍然需要高電壓極化過程來產(chǎn)生有效的壓電性；而高電壓極化常常造成壓電微機(jī)電系統(tǒng)制備過程中的電擊穿。同樣，靜電紡絲制備的壓電PVDF共聚物無需單軸拉伸，但也需要數(shù)千伏至上萬伏的靜電場實現(xiàn)電紡。并且，傳統(tǒng)的壓電微電子器件性能也依賴于制備方法。目前壓電聚合物和集成器件制備主要依靠傳統(tǒng)的流延制造技術(shù)，導(dǎo)致后處理過多，結(jié)構(gòu)設(shè)計受限等問題。

近日，北京大學(xué)董蜀湘教授課題組提出了一種基于機(jī)械取向應(yīng)力場制備壓電聚合物PVDF納米復(fù)合材料的新方法，無需傳統(tǒng)的高電壓極化。研究發(fā)現(xiàn)：機(jī)械取向應(yīng)力場可以誘導(dǎo)PVDF共聚物從無序、星狀納米晶，轉(zhuǎn)變?yōu)橛行?、自極化的纖維鏈狀納米晶，無需任何高電壓極化，就顯示出同傳統(tǒng)高電壓極化后相當(dāng)?shù)膲弘娕c機(jī)電耦合特性。此外，利用材料3D打印技術(shù)制造了一種7層自供電圓形壓力傳感器，并用于自供電壓力傳感器陣列。在動態(tài)壓縮力作用下，該傳感器顯示出235 mV/kPa的高靈敏度和0.9 mW/cm2的高功率密度，比傳統(tǒng)高電壓極化后的單層PVDF傳感器的力-電靈敏度高了近8倍。最后，3D打印制備了自供電、可實時顯示的發(fā)光觸覺（3×3）傳感器陣列，證實了其實際應(yīng)用的可行性。該成果發(fā)表在《納米能源》（Nano energy），題目為“A poling-free PVDF nanocomposite via mechanically directional stress field for self-powered pressure sensor application”。該成果第一作者是北京大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院博士生袁小婷，合作者包括深圳大學(xué)曹艷研究員，董蜀湘教授為該論文通訊作者。

(a) 有序鏈狀納米纖維；(b) 自供電圓形壓力傳感器的輸出電壓與壓強(qiáng)的關(guān)系；(c) 自供電圓形壓力傳感器的功率密度與負(fù)載電阻的關(guān)系；(d) （3×3）實時發(fā)光觸覺傳感器陣列示意圖；(e) 按下相應(yīng)的觸覺傳感器時對應(yīng)的LED燈亮的照片

該工作得到科技部國家重點研發(fā)計劃、國家自然科學(xué)基金委的支持。

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