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柔性磁电材料领域的创新探索者——华中科技大学苏彬教授
2021-11-25
1831年，法拉第发现电磁感应定律，为人类社会将自然界中大量存在的机械能转化为电能提供了可能。传统电磁发电机由磁定子、线圈转子组成，具有体积大、材质硬和只能转化转动型机械能的缺点，如何将其体积减小、材质变软、使得平动型机械能被转化为电能是核心问题和研究目标。
华中科技大学苏彬教授自2018年始在这一领域开始了创新探索，提出柔性磁电材料的设计理论。该理论将导电的客体材料和磁性的客体材料引入到主体柔性材料中，构筑独特的柔性磁/电复合材料体系。如果能够控制导电的客体材料和磁性的客体材料在外力作用下发生相对位移，就可以使得最终的复合材料得到压力－电能转换的性能（图1），未来将应用于自供能传感器、能源转换器件以及软体机器人领域。
1 电磁模拟指导柔性磁电复合材料的设计及结构优化
拥有优良压力－电能转换性能的柔性磁电复合材料内部磁/电部分的初始相对位置显著影响外力压缩时通过线圈的磁通量变化，即最终的压力－电能转换性能。如何调节柔性磁/电复合材料中电学/磁学部分在聚合物中的空间分布从而提升力-电转换性能至关重要。为此，苏彬课题组提出一种计算模拟指导实验制备的思路：利用Ansys Maxwell等商用计算模拟软件可以有效地辅助柔性磁/电复合材料的设计与制备。例如，将可压缩结构的导电线圈固定在钕铁硼磁粉/聚硅氧烷树脂复合块体材料中，可以计算在外加压力压缩造成30%形变下对应电压28.5 μV，与实验值的27 μV基本匹配。这种计算模拟辅助材料设计的方法将有效提高所设计柔性磁/电复合材料的压力-电能转换性能，缩短材料制备摸索时间，同时也为进一步调整柔性磁/电复合材料结构内部电/磁部分不同分布方式提供了时间上的保障。
2 开发针对柔性磁电复合材料的增材制造技术
利用增材制造技术，苏彬课题组探索出一种便捷高效的在空间中可控构筑不同材料的方法，从而能够更加方便地设计柔性磁电材料体系。课题组提出利用计算模拟出的电/磁部分最优分布模式，将导电/磁性部分按设计分布于液态树脂中再固化的“两步挤出再固化技术”。一些适合挤出的导电材料（如导电碳颗粒/离子液体复合液态或者镓铟硒液态金属）和磁性材料（如钕铁硼微米颗粒或者铁氧体微米颗粒），将被用于挤出型3D成型技术。通过优化增材制造加工条件，改良喷头挤出速度和平移路径，改变树脂主体材料的黏度，可实现不同电/磁组分分布的柔性磁/电复合材料的设计。同时通过计算模拟设计不同的柔性磁/电复合材料的内部结构来制备一系列柔性磁/电复合材料，从而提升整体的压电性能。
3 提出收集环境离散水能的新型研究模型
苏彬课题组提出柔性磁电材料的设计与制备，先后制备了压力型、拉伸型柔性电磁复合材料，实现了机械压力/拉力与电能之间的转换。在前期工作基础上，课题组对固体柔性磁电材料体系进行了结构升级：通过在样品内部引入由超疏水表面和丙三醇液滴构成的弹性中间层，使导电部分与磁性基底分隔开。其中，由于低的表面能，丙三醇与上下的超疏水接触面的接触呈现Cassie态。在外界压力作用下（水滴滴落），丙三醇发生受力形变，Cassie态的接触转变成Semi-Cassie态。由于该形态的可恢复性，当外力作用消失时（水滴从超疏水顶面脱离样品），丙三醇液滴的Semi-Cassie的接触恢复到Cassie态，由此实现样品内部导电线圈与磁性基底之间的相对位置的可逆改变。根据法拉第电磁感应定律，当闭合导电线圈与磁性基底之间的距离发生改变时，线圈内的磁通量发生改变，从而产生诱导电动势发电。课题组设计新型的柔性磁电复合材料体系，将超疏水表面引入到其2019年开发的柔性磁电材料体系中，提出一种全新的收集环境离散水能的研究模型，同时实现了净水收集和电能转换。该研究为环境集水发电一体化的研究提供了新的思路和方法，相关成果发表后得到了英国科普期刊Research Outreach的专门报道。
苏彬教授针对传统电磁材料的不足，通过一系列创新研究和技术攻关，提出以计算模拟辅助柔性磁电复合材料设计的方法，开发针对柔性磁电复合材料的增材制造技术，并创新磁电材料体系研究模型，有力地提升了柔性磁电材料的设计优化水平及其应用潜力。未来，课题组将进一步开拓柔性磁电材料与增材制造技术、纤维织物技术的交叉结合，为我国新型磁电材料的开发利用贡献更多力量。
