上海交通大学郭益平等：网状结构PZT骨架赋予压电传感器高灵敏度与高可拉伸性

Mesh-Architected Structurally Flexible Pb(Zr0.52Ti0.48)O3 Framework Enables Highly Sensitive and Stretchable Piezoelectric Sensors

Li Zeng, Chenhui Jiang, Yuan Li, Hao Yin, Qichao Li*, Hezhou Liu, Yiping Guo*

Nano-Micro Letters (2026)18: 295

https://doi.org/10.1007/s40820-026-02148-1

本文亮点

1. 结构赋能：受六边形网状织物启发，通过超声喷涂与牺牲模板策略，将原本硬而脆的PZT陶瓷重构为具有网状拓扑和层级纤维特征的柔性骨架。

2. 性能协同提升：基于该PZT骨架的压电传感器兼具高可拉伸性与高灵敏度。复合材料最大拉伸应变可达 220%，传感器可在100%应变下力学稳定，低压力区灵敏度达到39.57 mV kPa⁻¹。

3. 多场景应用潜力：器件不仅能识别低至0.4 μm的微小粗糙度变化，还能稳定监测膝关节康复动作，展现出在可穿戴健康监测与机器人触觉中的应用潜力。

研究背景

柔性压电传感器能够将机械刺激直接转化为电信号，在可穿戴电子、电子皮肤、健康监测和软体机器人等方向具有重要应用价值。对于实际场景而言，理想器件不仅要能在复杂曲面和大幅形变条件下稳定贴附与工作，还要对微弱压力或形变保持高分辨响应。然而，鱼和熊掌通常不可兼得。高灵敏度通常依赖刚性无机压电陶瓷，因为其具有更高的压电系数和更有效的应力传递。高可拉伸性则多来自柔性聚合物体系，但其压电输出又相对有限。如何在同一器件中同时实现高灵敏和高拉伸，一直是柔性压电领域的难题。

内容简介

受六边形网状织物启发，上海交通大学郭益平等人通过超声喷涂结合牺牲模板法，构建了具有结构柔性的三维互联PZT网状骨架，并进一步制备出高拉伸与高灵敏的柔性压电传感器。该结构在宏观尺度上形成可变形的六边形网孔，在微观尺度上保留多级纤维束特征，从而赋予传统脆性陶瓷优异的结构柔性。宏观互连骨架能够促进应力在整体结构中的高效传递，为传感器实现高灵敏响应提供支撑；微观纤维束及节点则可在拉伸过程中通过滑移、旋转和局部重排有效分散应力。与此同时，六边形网状结构借助泊松比效应实现横向延展，规律化的拓扑构型也使拉伸过程中的应力分布更加均匀，从而有效避免脆性断裂。最终，该设计成功实现了压电性能与变形能力的协同提升。

图文导读

I 网状结构设计赋予PZT陶瓷优异的结构柔性

如图1所示，以网状织物为模板，将六边形网孔与层级纤维形貌复制到 PZT 陶瓷骨架中。先通过超声喷涂将前驱体均匀沉积在织物表面，再经烧结去除模板，得到保留原始网状拓扑结构的 PZT 骨架。随后采用柔性导电织物作电极，并整体包覆硅橡胶，制备出夹层式柔性压电传感器。该结构设计通过网状单元赋予PZT材料可运动、可协调变形的结构自由度，同时保留了PZT 的高压电性能。

图1. 传感器总体设计思路与应用示意。

II 宏微观结构双重复刻为高灵敏与高拉伸奠定基础

图2展示了该网状 PZT 骨架的制备流程和结构表征结果。TG-DSC结果证明网状织物模板在高温烧结过程中可以被有效去除。XRD 结果表明所得PZT骨架具有典型钙钛矿晶体结构。光学显微镜和 SEM 表征进一步证实，烧结后的PZT骨架较好地继承了模板的网孔拓扑、节点特征以及多级纤维束形貌。更重要的是，该骨架具有一定孔隙率和多尺度非致密晶粒连接特征。这样的非致密结构使应力在拉伸过程中能够通过晶粒间微滑移得到分散，从源头上减轻应力集中，为后续复合材料实现大应变能力奠定了基础。

图2. PZT 网状骨架及其复合材料的制备流程与微观结构表征。

III 复合材料拉伸应变高达220%：六边形拓扑与纤维滑移协同耗散应力

在与硅橡胶构筑3–3型复合结构后，所得复合材料表现出优异的可拉伸性能，其最大拉伸应变可达220%，如图3所示。有限元模拟结果表明，在拉伸过程中，整体结构内的应力分布较为均匀，仅在局部边缘区域出现相对集中的高应力。该优异拉伸性能主要来源于宏观拓扑结构与微观变形机制的协同作用。在宏观尺度上，六边形网格在拉伸过程中可借助泊松比效应发生类似剪纸结构的几何展开，从而提供更大的结构变形空间；在微观尺度上，多级纤维束之间的滑移进一步促进应力耗散并缓解局部应力集中。经过多次大应变循环后，复合材料仍能保持良好的弹性恢复能力和力学稳定性，表明其具备优异的可拉伸性与循环耐久性。

图3. 复合材料的拉伸行为、应力分布与力学循环稳定性。

IV 器件兼顾高可拉伸性与高灵敏度

在器件性能方面，首先验证了PZT骨架在极化处理后仍保持良好的可切换极化特性。随后，系统评估了器件在压缩和拉伸模式下的输出响应行为。结果表明，该器件在5–40 kPa的低压力范围内表现出较高的压力响应灵敏度，达到39.57 mV kPa⁻¹。与此同时，所制备的柔性压电传感器可承受高达100%的拉伸应变，并在1000次拉伸—压缩循环后仍保持力学稳定；在拉伸模式下，传感器还可实现0–80%范围内的线性传感响应。此外，器件具有约31.2 ms的快速响应时间和优异的循环稳定性。上述优异性能主要得益于三维网状骨架对外部作用力的高效传递能力，使微弱机械刺激能够更加充分地转化为可观测的电信号，从而实现高可拉伸性与高灵敏度的协同兼顾。

图4. 器件在压缩与拉伸模式下的压电输出性能。

V 多场景应用潜力

进一步展示了该器件在两类代表性场景中的应用能力。一方面，传感器可用于表面粗糙度识别，能够检测低至0.4 μm的表面起伏变化，表明其对细微机械刺激具有较高的分辨能力。另一方面，当器件贴附于膝关节外侧时，可对直腿抬高、弓步、半蹲等多种康复训练动作进行稳定监测，展现出良好的运动感知性能与信号稳定性。上述结果表明，该器件不仅在材料设计和器件性能层面具有明显优势，还在机器人精细触觉感知和可穿戴健康监测等领域展现出良好的应用潜力。

图5. 传感器在粗糙度识别与膝关节运动监测中的应用展示。

VI 总结

本研究提出了一种网状拓扑构筑与层级纤维协同调控的结构设计策略，实现了脆性PZT陶瓷结构柔性化与高压电性能的统一。在宏观尺度上，三维互连的六边形网状骨架有利于外部应力的高效传递，并可在拉伸过程中通过几何展开释放结构应变；在微观尺度上，层级纤维束及非致密晶粒连接可通过滑移、旋转与局部重排进一步分散应力。二者协同作用，使器件兼具高可拉伸性、高灵敏度与良好的力学稳定性。

基于上述设计，所构筑的复合材料实现了高达220%的拉伸应变，柔性压电传感器可在100%应变下稳定工作，并在低压力区表现出39.57 mV kPa⁻¹的高灵敏度。同时，器件还能够识别低至0.4 μm的表面粗糙度变化，并对膝关节康复训练动作进行稳定监测，展现出面向机器人触觉感知与可穿戴健康监测的应用潜力。

这项研究为脆性功能陶瓷向柔性电子器件的转化提供了新的结构设计方法，有望为下一代可穿戴压电传感器、电子皮肤以及智能康复监测系统的开发提供新的设计思路。

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