传感器能源供给问题是未来发展多功能电子产品的技术瓶颈。压电材料可将环境中富余的机械能转换为电能，使电子产品摆脱对传统电池的依赖，是加快工业转型升级的关键技术支撑。然而受材料模量和复杂结构的几何约束限制，常规压电制件环境自适应能力差，受力塑性变形显著，严重制约其在可穿戴柔性电子领域发展。
近期，四川大学高分子材料工程国家重点实验室陈英红教授团队报道了一种结合固相剪切碾磨和3D打印技术制备基于可编程机械超材料设计的聚偏氟乙烯（PVDF）基电子皮肤新策略。该工作研究了离子盐-蒙脱土（MMT）模板作用下PVDF电活性晶自组装行为，利用熔融沉积成型3D打印取向技术剪切诱导MMT填料模板的定向排列，改善了复合材料压缩塑性形变，并实现平行于应力方向的界面锁定极化（图1）。进一步通过构建蛇形机械超材料单元的周期性排列结构以精准调控材料的应力应变行为，结果表明超材料单元的侧向屈曲和扩张行为赋予了3D打印压电器件反常规的负泊松比力学特性，即器件在拉伸应变下横纵向同时发生膨胀，实现了压电器件对皮肤等复杂曲面的良好贴合和自适应，有望解决常规穿戴式传感器严重限制皮肤自由运动的缺陷。在此基础上，通过揭示器件受蛇形超材料单元操纵的机电耦合理论，开发了具备可编程设计、自决策等特性的先进压电纳米发电机（图2）。研制的超材料电子皮肤极大拓展了PVDF基压电材料的设计空间，展现了运动监测、手语传译等一系列智能可穿戴应用前景（图3）。
该工作以“3D Printing of PVDF-Based Piezoelectric Nanogenerator from Programmable Metamaterial Design: Promising Strategy for Flexible Electronic Skin”为题发表在《Nano Energy》期刊上。文章第一作者为四川大学博士研究生裴浩然，通讯作者为陈英红教授。
图1 3D打印PVDF基纳米复合材料的界面锁定极化可视化
图2 超材料压电器件展现高度可调谐的机电耦合特性
图3 电子皮肤智能传感应用
该工作是团队关于3D打印PVDF基压电纳米发电机的最新研究进展之一。压电纳米发电机的输出能力不仅与所选用的材料特性相关，还强烈依赖于器件结构设计。3D打印技术为制备形状/结构复杂的压电器件提供了很好的解决方案。过去的两年中，团队通过熔融沉积成型3D打印技术发展了基于多孔支架（Composites Part B 2021,225,109312）、仿生鱼鳞Kirigami结构（ACS Appl. Mater. Interfaces 2022,14,15346）的压电器件，探索了相关结构-性能构效关系，拓宽了高分子材料3D打印加工的研究领域和应用前景。
