用于触觉电子产品的高度可变形压电纳米桁架

由于 ，非接触环境的重要性日益增加，使用触觉技术的触觉电子设备作为新的通信媒介越来越受到关注。触觉技术正在广泛应用于机器人或交互式显示器等领域。触觉手套正用于增强信息通信技术。能够将各种机械刺激转换为电信号(反之亦然)的高效压电材料是推进高性能触觉技术的先决条件。

由 Seungbum Hong 教授领导的研究小组通过开发可变形三倍的陶瓷压电材料，证实了触觉设备的潜力。为了制造高度可变形的纳米材料，研究团队使用邻近场纳米图案化和原子分层沉积构建了氧化锌中空纳米结构。测得的压电系数约为 9.2 pm/V，纳米柱压缩试验显示弹性应变极限约为 10%，是体氧化锌的三倍多。

压电陶瓷具有高压电系数和低弹性应变极限，而压电聚合物则相反。因此，在高压电系数和高弹性应变极限方面获得良好的性能一直是非常具有挑战性的。为了打破压电陶瓷的弹性极限，研究团队引入了一种具有纳米级薄壁的 3D 桁架状中空纳米结构。

根据格里菲斯准则，材料的断裂强度与预先存在的缺陷尺寸的平方根成反比。然而，在较小的结构中不太可能出现大的缺陷，这反过来又增强了材料的强度。因此，实现具有纳米级薄壁的 3-D 桁架状中空纳米结构的形式可以扩展材料的弹性极限。此外，单片 3-D 结构可以承受各个方向的大应变，同时防止瓶颈造成的损失。此前，压电陶瓷材料的断裂性能由于裂纹尺寸差异较大而难以控制。然而，研究团队在结构上限制了裂纹尺寸以管理断裂特性。

Hong 教授的结果证明了通过使用 3-D 中空纳米结构改善弹性极限来开发高度可变形陶瓷压电材料的潜力。由于与其他压电陶瓷材料相比，氧化锌具有相对较低的压电系数，将所提出的结构应用于此类组件有望在压电活性方面获得更好的结果。

“随着非接触时代的到来，情感交流的重要性越来越高。通过新型触觉交互技术的发展，除了目前的视觉和听觉交流，人类将进入一个可以与任何人交流的新时代无论身在何处，都可以使用所有五种感官，就好像他们亲自与他们在一起一样，”洪教授说。

“虽然必须进行额外的研究以实现所提议的触觉增强设备设计的应用，但这项研究具有很高的价值，因为它解决了压电陶瓷使用中最具挑战性的问题之一，特别是通过以下方式为其应用开辟了新的可能性克服他们的机械限制。

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