通过非接触极化与谐振信号放大测量柔性材料的 d31 压电系数

会发电的柔软材料

从手机触摸屏到医学超声，许多现代设备都依赖能将压力转为电能、或将电能转为运动的特种材料。这类压电材料正从坚硬易碎的陶瓷向柔软可弯曲的纤维和薄膜转变，这些材料有望被织入服装或植入体内。本文所述研究提出了一种新的方法，可以在不接触样品、不使用电线或金属涂层的情况下，准确测量这类像织物一样柔软材料将电信号转为机械位移的能力。

为何测量柔性压电材料如此困难

传统压电材料通常很硬，经常采用含铅陶瓷，性能优异但存在毒性与环境问题。通过静电纺丝制成的柔性聚合物纤维和纳米纤维提供了有前景的替代方案：它们可随人体弯曲、通常具有生物相容性，并能制成网状、纱线或薄膜。然而，正是这种柔软性让它们难以检测。许多标准方法要么直接压住样品，要么要求光滑的金属涂层，这会损伤脆弱结构或导致测量偏差。其它高分辨率显微技术探测的区域太小，无法代表整个器件。因此，不同实验室报告的关键性能数值常常相差甚远。

一种新的非接触测试台

为了解决这一问题，作者们搭建了名为 PiezoGauge 的仪器，专门用于测量带有柔顺性的缎带、网状物和细丝。PiezoGauge 并不压挤样品，而是将样品在两个夹具间轻轻拉伸，并置于一对不接触样品的平行电极之间。当施加交流电压时，电场穿过材料，使其沿长度方向产生收缩或膨胀。一个夹具连接到细长的弹簧状梁（即悬臂梁）。当样品收缩或膨胀时，会牵动悬臂梁，使其弯曲。通过镜面反射的激光束可以高精度追踪这种弯曲。将系统驱动到悬臂梁的固有谐振频率时，仪器对微小位移进行放大，从而能够检测极弱的压电响应。

把微小位移变成可靠数值

仅测量位移还不够；挑战在于将这些位移换算为材料压电强度的可靠数值。PiezoGauge 通过比较两次几乎相同的实验来实现这一点。第一次通过与样品串联的已校准压电块对样品进行机械振动，从而产生对悬臂梁的已知拉力。第二次则通过周围电极对样品施加电驱动。由于两种情况使用相同的框架和弹簧，许多未知量在将两个信号相除时被消去。经过精心推导的公式便可得出所需的系数，描述材料在单位电场下产生的应变量。重要的是，该方法不需要事先知道样品本身的刚度——这正是其它方法常遇到的难点。

控制杂散电荷

柔性聚合物不仅响应电场，还能捕获静电，就像用毛摩擦的气球一样。这些静电可能会模仿或掩盖真实的压电响应。因此，研究者考察了样品位置、滞留电荷和空气湿度对读数的影响。他们发现，即便样品与电极之间存在微小错位，也会引入不期望的力，这类力会以驱动频率的两倍频成分出现，他们将此现象用作内置的对中测试。他们还观察到，静电在干燥氮气中比在潮湿空气中停留时间更长，后者由水分子帮助泄漏电荷。基于这些研究，作者制定了逐步的测量流程：认真居中样品、检测与静电相关的信号、在需要时中和样品电荷，然后再记录压电响应。

将系统投入实际测试

在流程确定后，团队测试了若干实际材料，重点是静电纺丝的聚丙烯腈（PAN）网状体，这是一种在可穿戴与植入式器件中受关注的聚合物。PiezoGauge 显示，对齐纤维网比随机取向的网产生更强且更一致的信号，并且预拉力与安装后等待时间都会影响测得的响应。仪器还捕捉到清晰的力学行为差异：对齐网在拉伸时延展性更强且承载更多负荷，而随机网在拉伸过程中表现出更多的内部重排。从平面网到扭转的聚合物纱线，系统检测到总体压电输出非常低，这很可能是由于纤维间扭转抵消了单个纤维的方向性。最后，作者测量了从甲壳类外壳提取的生物衍生材料壳聚糖薄膜，展示了 PiezoGauge 能解析小于每伏一万亿分之一米（10^-12 m/V）量级的压电系数，突显其灵敏度。

这对未来柔性器件意味着什么

对非专业读者来说，核心信息是作者们构建了一种针对柔性能量收集与传感材料的“听诊器”。PiezoGauge 在不接触金属电极（后者可能改变材料特性）的前提下，倾听柔性纤维和薄膜在电场作用下的运动。通过结合非接触激励、基于谐振的放大以及巧妙的内置校准，它即便在信号极其微弱时也能给出可信的数据。这使得比较不同配方、纤维排列或加工步骤变得更为简便，并有助于为柔性电子、智能纺织和生物医用植入物优化材料。简言之，该工作既提供了一个工具，也提供了一条将有前途的软性压电材料转化为日常设备中可靠组件的路线图。

引用: Scarpelli, L., Zavagna, L., Strangis, G. et al. Measurement of the d₃₁ piezoelectric coefficient of compliant materials by non-contact polarization and resonant signal enhancement. Sci Rep 16, 8659 (2026). https://doi.org/10.1038/s41598-025-29842-1

关键词: 压电聚合物, 静电纺丝纳米纤维, 非接触测量, 柔性传感器, 机械谐振