Advanced Functional Materials:“何意百炼钢,化为绕指柔”——柔性钛酸钡陶瓷纳米纤维

金属氧化物陶瓷支撑着电子和能源等多种现代技术。然而,这些材料通常又硬又脆,弯曲时容易破裂或折断。此种机械响应限制了这类材料在可穿戴电子纺织品等新兴领域中的应用。近日,东华大学俞建勇院士及丁彬研究员带领的纳米纤维研究团队开发出了柔性钛酸钡陶瓷纳米纤维膜。该研究于2019年10月9日以“Polymer Template Synthesis of Flexible BaTiO3 Crystal Nanofibers”为题发表于《Advanced Functional Materials》上。东华大学闫建华研究员和丁彬研究员系论文共同通讯作者。

在这项研究中,他们开发了一种基于溶胶-凝胶静电纺丝和低温结晶的工艺技术,可控制备出具有聚合物般轻质特性和丝绸般柔软度的钛酸钡纳米纤维晶体材料,并探索了钛酸钡晶粒尺寸和晶界形貌影响纳米纤维柔性形变的机理。值得一提的是,与传统的固相烧结法制备晶体钛酸钡所需要的条件相比,比如需要在大于1200℃下煅烧至少12h,此项工作中所使用的煅烧温度为850℃、煅烧时间为2h,降低了能耗和时间成本。所开发的柔性钛酸钡陶瓷纳米纤维晶体膜可有效降低应力集中以降低大变形时的破裂风险,由此设计出压电传感器,在弯曲变形时候依然具有较高的灵敏度。

图1 通过(A)溶胶-凝胶静电纺丝和(B)煅烧过程制备柔性钛酸钡纳米纤维膜的示意图;

图2 通过调控煅烧温度寻找制备柔性钛酸钡纳米纤维晶体材料的结构图和对应的纤维膜材料实物图。

图3柔性钛酸钡纳米纤维膜的压电性能测试。

所报道的无机纳米纤维制造技术对设计柔性多元金属氧化物陶瓷材料具有重要意义。除了围绕柔性钛酸钡的结构设计之外,应用此技术还能够设计出一系列介于通常被视为软和硬界限之间的多元陶瓷材料,比如他们近期所开发的快离子导体LLTO和LLZO。为这些坚硬的陶瓷材料披上柔软的外衣,将对理解金属氧化物陶瓷提供另外一种思路。相关论文在线发表在Advanced Functional Materials(DOI:10.1002/adfm.201907919)。