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    具有令人驚訝特性的兩相材料

    微觀結構和宏觀機電性能在所謂的鐵電聚合物中緊密耦合?,F在已經在TU Wien找到了對此耦合的高溫依賴性的解釋。在某些材料中,電氣和機械效果緊密相關:例如,當施加電場時,材料可能會改變其形狀,或者相反,當材料變形時可能會產生電場。這種機電活性材料對于許多技術應用而言非常重要。

    通常,此類材料是特殊的無機晶體,堅硬而脆。由于這個原因,現在使用所謂的鐵電聚合物。它們的特征在于它們的聚合物鏈同時存在于兩個不同的微觀結構中:一些區域是有序的(結晶)區域,而無序(非晶)區域則在兩者之間形成。這些半結晶復合材料具有機電活性,因此兼具電氣和機械作用,但同時又具有柔韌性和柔軟性。在維也納工業大學,現已對這種材料進行了詳細研究,結果令人驚訝:在一定溫度以上,屬性會發生巨大變化。維也納工業大學的研究小組與馬德里和倫敦的研究小組合作,現在已經能夠解釋為什么會發生這種情況。

    從微傳感器到智能紡織品

    “如果能夠借助電場控制材料的機械性能,則可以使用它來構建微型傳感器,” TU Wien傳感器和執行器系統研究所的Ulrich Schmid教授說。“這對于原子力顯微鏡也很有趣,您可以在振動中設置一個微小的尖端來掃描表面并生成圖像。”

    如果有可能不僅在剛性材料中而且在柔性的軟材料中都誘發這樣的機電性能,則可以極大地擴展這種材料的應用領域。一方面,柔性材料具有完全不同的振動特性,可以在微型傳感器的構造中加以利用。另一方面,此類材料也開辟了全新的可能性,例如智能紡織品,柔性儲能或用于集成式能量收集。

    喬納斯·哈夫納(Jonas Hafner)解釋說:“固體可以是結晶的,在這種情況下原子以規則的晶格排列,或者它們可以是無定形的,在這種情況下單個原子是隨機分布的。”論文。“關于我們研究的材料的特殊之處在于,它們可以同時存在:它形成晶體區域,而材料之間是非晶態。”

    晶體負責材料的機電性能,無定形基體將細小的晶體保持在一起,從而總體上形成了一種非常柔軟,柔軟的材料。

    熱量太多

    為了能夠進一步開發和改進此類材料,研究團隊首先研究了它們的基本物理性質。在研究過程中,他們遇到了一個令人驚訝的現象:由結晶區和非晶區組成的鐵電聚合物在一定溫度下會改變其微觀組成,這對宏觀的機電行為產生了令人驚訝的影響。

    通常,只有當很高的溫度在原子級上引起如此大的振蕩時,材料的機電性能才會消失,從而使材料中的電序完全消失。該臨界溫度稱為“居里溫度”。但就目前正在研究的材料而言,情況就更加復雜了:“在我們的案例中,微小晶體的機電性能仍然存在。從微觀上講,晶體仍具有電活性,但在宏觀層面上,這種電活性消失了。”喬納斯·哈夫納(Jonas Hafner)說。

    晶粒之間失去接觸

    研究小組能夠解釋這種影響是如何發生的:隨著溫度的升高,聚合物無定形區域的比例增加,并且在某個點上,微小的晶體彼此之間失去直接接觸。這意味著機械力不再能夠從一個微小的晶體傳遞到另一個,因為它們都完全嵌入了阻尼非晶態矩陣中。這極大地改變了材料的機械和機電性能。

    Ulrich Schmid說:“只有了解了這些基本作用,我們才能解釋這種材料的微觀和宏觀特性之間的關系。” “我們正在與眾多項目合作伙伴合作,然后在原子力顯微鏡,傳感器,芯片中使用這種材料。這種令人興奮的材料階段具有許多潛在的應用。”

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