Additively manufactured flexible piezoelectric lead zirconate titanate-nanocellulose films with outstanding mechanical strength, dielectric and piezoelectric properties

锆钛酸铅 压电 材料科学 纳米发生器 电介质 复合材料 压电系数 流延 PMUT公司 陶瓷 铁电性 光电子学
作者
Muhammad Latif,Yangxiaozhe Jiang,Jaehwan Kim
出处
期刊:Materials today advances [Elsevier BV]
卷期号:21: 100478-100478 被引量:5
标识
DOI:10.1016/j.mtadv.2024.100478
摘要

Nanocellulose (NC)-based piezoelectric films prepared via solution casting show low mechanical, dielectric, and piezoelectric performance due to the randomly oriented cellulose nanofibers and dispersion of piezoelectric domains. Moreover, a high electric field for piezoelectric domain alignment may also increase the brittleness of the piezoelectric films. For the first time, an additive manufacturing (AM) technology is demonstrated to fabricate high mechanical strength and flexible NC-based piezoelectric films efficiently. Different concentrations (10, 20, and 30 wt%) of lead zirconate titanate (PZT) particles are mixed in the NC suspension and additively manufactured, followed by drying at cleanroom conditions. Next, the magnetically induced electric field is introduced into the PZT-NC films coated with silver electrodes. The obtained flexible piezoelectric PZT-NC films show outstanding mechanical strength of 203.5 ± 4.8 MPa, good flexibility, high dielectric constant (87.7 at 1 kHz), low dielectric loss (0.09 at 1 kHz), and high piezoelectric constant (d33 = 53 pC/N). Furthermore, the 30PZT-NC piezoelectric nanogenerator showed a peak-to-peak voltage of 2.24 V and an output power density of 1.56 μW/cm3. The measured mechanical, dielectric, and piezoelectric properties are superior to the previously reported NC-based piezoelectric and commercially available PVDF films. Based on the outstanding multifunctional properties of NC-based piezoelectric films, AM technology can replace traditional solution casting methods and open a wide range of applications in flexible piezoelectric materials.
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