香港城市大学杨征保团队Adv. Sci.：简单工艺制备共形压电薄膜

薄膜材料因为轻质、功能性强的特点，应用领域非常广泛。例如，飞机除了结实的骨架，也需要蒙皮来承担一定量的载荷。而蒙皮与外界直接接触，需要在外侧增加涂层进行防护，因此涂层薄膜材料能够为蒙皮带来更多的可用性。机器人以机械结构为基础来完成工作，而在机器人表皮添加人造电子皮肤，则能够为机器人带来更多的可交互性，这也需要功能薄膜材料来完成。

压电陶瓷薄膜材料有着出色的机电耦合性质，被广泛研究并应用于声表面波器件，超声波器件，能量收集器，传感器和执行器等领域。由于薄膜材料与MEMS工艺的高度契合性，关于高质量压电薄膜的制备大多聚焦于硅片、蓝宝石等刚性平面基底上，以适应后续复杂的刻蚀、镀膜、封装工艺。随着工艺的不断进步，当今电子设备的构型往往不再局限于平面2D结构，而向着柔性、三维曲面的方向发展，这对传统陶瓷薄膜材料的制备带来了新的挑战：如何在复杂物体表面获得不破裂、高性能的薄膜材料呢？

近期，香港城市大学杨征保教授课题组提出了一种火焰处理喷涂工艺（FTS），通过简单的火焰处理，大幅提高复杂物体表面的亲水性，使得陶瓷溶胶前驱体液滴轻易地润湿基底表面，形成致密的液膜，以烧结成平滑、无裂纹的曲面压电薄膜。在此基础上，该研究团队探索了曲面压电薄膜应用于能量收集、触觉传感、结构健康监测的可行性，并证明了FTS工艺的广泛适用性。相关研究成果以“3D Conformal Fabrication of Piezoceramic Films”为题在国际知名期刊Advanced Science上发表(DOI: https://doi.org/10.1002/advs.202106030)。港城大博士刘世源和在读博士生单尧为该论文共同第一作者，杨征保教授为论文通讯作者。

图 1 FTS工艺简要流程

该研究团队以不锈钢为主要研究对象。如下图a所示，喷出的分散液滴在不锈钢表面单个存在，无法相互融合以形成光滑的液体薄膜，因此无法直接用于制备薄膜材料。在图b中，火焰处理的不锈钢表面呈现出高度的亲水特性，液滴在基材表面自发形成致密光滑的液体薄膜，非常有利于接下来的薄膜烧结。此外，短时间的火焰处理不会改变基材表面原有的特性，倘若用纸巾擦拭火焰处理过的区域，其亲水性将恢复到初始状态。研究团队同时也探究了火焰处理对于其他常用基底材料的可行性，例如云母，硅片，玻璃等，发现其改善亲水性的作用同样生效。

图 2 火焰处理对亲水性改良的效果

研究者将平整的不锈钢基材进行弯曲、折叠之后，得到凸、凹、褶皱等不同复杂曲面，并在曲面上制备BCZT（掺有钙元素和锆元素的钛酸钡）薄膜，通过SEM, EDS, XRD和Raman验证了薄膜的高质量生长。

图 3 BCZT薄膜表征

该工作探究了在曲面上制备压电薄膜的潜在应用。首先，为了模仿机器人手指尖端的复杂曲面，研究人员首先将BCZT薄膜直接沉积在球形金属表面（同时作为底电极），再将一个电极阵列（4×4，同时作为上电极）封装在BCZT薄膜表面，当点按不同的电极区域时，可以探测到相应的瞬时应力分布，说明压电陶瓷薄膜可以FTS工艺通过直接集成于机器人手指，以实现高精度的触觉传感。薄膜材料具有轻质的特点，倘若将功能性薄膜直接集成在现有的设备上，可以不为器械带来显著的额外负载，大幅增加安全性和可靠性。为此，研究者尝试利用FTS工艺将BCZT薄膜制备在飞机模型机翼上，以实时探测飞机的振动情况。结果展现了压电薄膜应用于结构健康监测的巨大潜力。

图 4 触觉传感器和结构健康监测应用

该论文的其他作者有洪颖，靳袁凯，林伟康，张卓敏，许晓特，合作者为港城大机械系教授王钻开。

香港城市大学杨征保博士课题组致力于研究能量转换，频率响应和振动现象的机理和关系，研究主题包括智能传感器，压电材料和器件，阻尼效应和非线性振动，低功率电路和机电系统，应用于汽车行业、物联网、结构健康监控及可穿戴设备。欢迎感兴趣的同学和学者加入。

课题组网站：
https://www.cityu.edu.hk/mne/stvl/

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来源：高分子科学前沿

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