【类型A：原创研究报告】

受木材启发具有高挠曲电效应的多孔聚合物材料研究报告

一、研究作者、机构及发表信息

本研究由北京航空航天大学航空科学与工程学院固体力学研究所、强度与结构完整性全国重点实验室的Yirui Lin、Dongze Yan以及Li-Hua Shao（通讯作者），联合北京航空航天大学机械工程及自动化学院的Xin Yan，以及北京大学力学与工程科学系的Jianxiang Wang共同完成。该研究成果于2025年12月18日被接收，并发表在材料科学领域顶级期刊 Advanced Functional Materials （2026年，第36卷，文章号e21487）上。

二、研究背景与目的

在能源与环境挑战日益严峻的背景下，开发高效节能且环境友好的功能材料与器件具有巨大的潜力。自20世纪50年代起，人们就发现木材在受力变形时能够产生电能，这种机电耦合效应（electromechanical coupling effect）为可持续应用提供了可能。然而，长久以来，木材基材料的机电耦合效应背后的精确机制尚不清晰，其来源可能包括摩擦电效应（triboelectric effect）、驻极体效应（electret effect）、压电效应（piezoelectric effect）以及挠曲电效应（flexoelectric effect）。这种复杂性限制了对该效应的深入理解和在仿生设计中的应用。因此，本研究的首要目标是系统地探究轻木海绵（balsa wood sponge）的机电耦合机理，明确其主要贡献机制。在此基础上，研究旨在提取关键的微观结构特征，用于设计和制造具有增强挠曲电效应的仿生多孔聚合物材料，并展示其作为自供能传感器的应用潜力。

三、研究工作流程与方法

本研究包含四个主要的研究步骤：1. 轻木海绵的制备与表征；2. 机电耦合效应的多机制系统排除与确认；3. 理论建模与模拟；4. 仿生多孔聚合物的制造、性能优化与应用验证。

在第一阶段，研究团队将商业采购的天然轻木切割成边长为15毫米的立方块，然后通过两步化学处理法制备了轻木海绵。首先，样品在含氢氧化钠（NaOH）和亚硫酸钠（Na₂SO₃）的混合溶液中煮沸以进行初步脱木素。随后，样品在过氧化氢（H₂O₂）溶液中浸泡以完全脱木素。最后通过冷冻干燥得到白色的轻木海绵样品，其质量相比天然木材减少了约53%。通过扫描电子显微镜（SEM）表征发现，天然木材呈现蜂窝状结构，孔径约为10至70微米，而轻木海绵则呈现出独特的多层拱形堆叠结构（multi-layered arched stacking architecture），拱跨约为240微米，拱高约为120微米，两种材料的壁厚均约为4微米。傅里叶变换红外光谱（FTIR）和X射线衍射（XRD）分析证实，处理过程去除了大部分木质素和部分半纤维素，但纤维素仍保持I型结晶形态。

在第二阶段，研究人员通过一系列精巧的实验设计，逐一排除了摩擦电效应、驻极体效应的影响，并定性、定量地区分了压电效应和挠曲电效应的贡献。实验力学测试采用动态力学分析仪（DMA）施加正弦循环压缩载荷，同时用电流放大器采集样品的电输出信号。为排除摩擦电干扰，研究者利用不同材料间的摩擦电荷密度（TECD）差异进行实验，发现当上下接触对使用相同聚酰亚胺（PI）材料时，非正弦的摩擦电信号消失，输出波形恢复为正弦波形。为排除驻极体效应，样品在80摄氏度下经长达200小时的加热处理，其输出电流未发生衰减，且表面电势测量值始终为零，从而否定了驻极体效应的贡献。为辨别压电和挠曲电效应，研究利用了压电效应的空间反演对称性破缺特性。实验表明，压电陶瓷（PZT）在倒置后输出信号反转，而轻木海绵的信号则几乎不变，这一现象定性地暗示了挠曲电效应的主导地位。

第三阶段为理论建模与分子动力学（MD）模拟。研究者依据SEM图像，将轻木海绵简化为由拱形韧带和直韧带组成的单元胞（Unit Cell）阵列模型，并推导出在压缩载荷下，韧带同时承受正应力（引发压电效应）和应变梯度（引发挠曲电效应）的力学模型。同时，通过MD模拟计算了纤维素晶体的内禀压电系数和挠曲电系数。计算结果（d31=2.82 pC/N, μ1133=3.24 nC/m）与实验报道值吻合。将这些系数代入建立的理论模型，计算结果揭示，单独考虑挠曲电效应的理论输出电流是单独考虑压电效应的十倍，两者的总合与实验测量值高度一致，从而定量地证实了挠曲电效应是轻木海绵机电耦合的主导机制。

第四阶段是基于微结构的仿生设计与制造。理论参数化分析表明，具有更小尺寸、更高拱度和更薄壁厚的单元胞结构可获得更优的挠曲电输出性能。据此，研究者使用聚乙烯醇（PVA）三维打印牺牲模板法制备了具有仿生拱形微结构的聚二甲基硅氧烷（PDMS）多孔材料。该材料本身无压电性，且通过前述方法排除了摩擦电和驻极体效应，其电信号完全源于挠曲电效应。

四、主要研究结果

实验结果表明，天然轻木海绵的输出电流是天然木材的约400倍，这种巨大的增强效果源于其多孔微结构引发的高效挠曲电效应。通过对机理的逐一排除，研究明确了挠曲电效应是轻木海绵机电耦合响应中的主导机制，其贡献远大于压电效应，而摩擦电效应和驻极体效应则可通过实验设计消除或本身可忽略。

在仿生材料性能上，仿生多孔PDMS展现出了极为卓越的提升。与实心PDMS相比，其电流-应变灵敏度（current-strain sensitivity）提高了1600倍以上，等效压电系数（equivalent piezoelectric coefficient）达到58.9 pC/N，是实心PDMS的340倍，比随机多孔PDMS高一个数量级。在与PVDF等常见柔性压电材料的对比中，该仿生材料在拥有较高等效压电系数的同时，还具有显著的高密度比系数优势，体现了轻质高强的耦合性能。在20%应变下经历50,000次循环加卸载后，该材料的电输出信号依然保持稳定，展示了优异的耐久性。

最终，研究者成功将该仿生多孔PDMS应用于自供能冲击传感器（self-powered impact sensor）原型。实验证明，该传感器能通过输出电流的大小线性地识别塑料球下落的高度，即冲击能量的大小，同时其多孔结构还能提供缓冲作用。

五、研究结论与价值

本研究首次系统性地解耦并证实了挠曲电效应是轻木海绵卓越机电耦合性能的主要来源，这一发现澄清了该领域长期存在的机理争议。其科学价值在于，它建立了一套完整的、可移植的方法论体系，用于鉴别和分析不同材料中复杂的机电耦合机制。其应用价值在于，提出了一个利用仿生多孔结构增强材料本征挠曲电效应的设计策略，为开发不含铅、氟等有害元素的高性能、环保型功能材料开辟了新路径。利用模板法制造的仿生多孔PDMS在可穿戴设备、结构健康监测和智能防护器件等领域展现出巨大的应用潜力，为大规模、低成本生产此类多功能材料提供了可行的技术路线。

六、研究亮点

本研究的亮点主要体现在三个方面。第一是机理发现，明确指出并证实了挠曲电效应而非传统认为的压电效应是轻木海绵获得高效机电耦合性能的关键，修正了学术界的普遍认知。第二是方法论创新，通过一套包含接触对置换、加热去电荷、样品反转测试的严谨对比实验方案，并结合MD模拟与理论力学建模，实现了对摩擦电、驻极体、压电和挠曲电四种效应的有效解耦和定量评估。第三是仿生设计策略，成功将木材的天然拱形微结构“复制”到合成聚合物PDMS中，实现了挠曲电效应的大幅增强，为设计高性能柔电材料提供了直接的仿生范本。