近日，土建與水利學院工程力學系王炳雷副教授在固體力學頂級期刊Physical Review B (PRB 100, 035438, 2019)發表題為《Flexoelectricity as a universal mechanism for energy harvesting from crumpling of thin sheets》的關于撓曲電理論的研究工作。王炳雷副教授為該成果的第一作者，通訊作者是國際撓曲電理論著名學者休斯頓大學機械工程系Pradeep Sharma教授，山東大學為該成果第一完成單位。
撓曲電效應是不均勻變形（應變梯度）和電極化之間的雙向耦合，它存在于幾乎所有的介電材料中。随着結構尺寸的降低，該效應将逐漸增大，呈現出尺寸依賴性。在微納米尺度，基于該效應可以設計俘能器、傳感器、驅動器等微納機電系統。近年來，撓曲電效應及其理論一直是固體力學領域的研究熱點之一。
受生活中常見揉皺（crumpling）結構（如紙團、衣服褶皺等）的啟發，該研究針對揉皺介電薄膜結構，研究其力電耦合問題。由于撓曲電效應，揉皺介電薄膜中不均勻應變（應變梯度）會産生極化電荷。如果将介電薄膜黏貼在衣服上的某些區域，根據撓曲電效應及其尺寸依賴性，可産生可觀的電能。這将是一種新穎的能量俘獲方式。王炳雷副教授針對揉皺介電薄膜結構，提出了一種新的力學理論方法，計算結果與實驗數據高度吻合。研究指出，随着薄膜厚度的減小，撓曲電效應将會逐漸增大。這為微納米尺度下非壓電類材料的能量俘獲提供了力電轉換的新途徑。該研究成果對揉皺結構的力電轉換問題提供了理論基礎，将為智能衣服、微機電器件等智能設備的能量俘獲研究提供重要的理論支撐，具有廣泛的潛在應用價值。
論文鍊接：https://journals.aps.org/prb/abstract/10.1103/PhysRevB.100.035438
圖1 揉皺介電薄膜力電轉換示意圖。 圖2 理論結果與實驗結果對比圖。
