纳米多孔金属“力电转换”性能的实验与理论研究

Nanoporous materials have lots of applications because of their high surface-to-volume ratio, excellent electric conductivity, mechanical property and other distinctive properties. The applicant has measured the electric signal from nanoporous gold which under the applied varied force in electrolyte. And this special "force-electricity transformation" property of nanoporous gold made itself promising in vibration sensor application. However, the underlying mechanism is still unclear. This project will explore the mechanism of applied force induced strain which leads to the change of surface stress and the change of surface charge density by both experiments and theoretical analysis. And also to study the mechanism of surface stress change in ultrasonic filed, and the relation between the ultrasonic wave and output electric signal. We will learn the effect of length scale and the adsorption on the "force-electricity transformation" property in order to design novel vibration sensor for real application.

纳米多孔金属具有极高的比表面积，导电性、力学性能良好等优异特性使其具有广泛的应用。申请人通过预研实验观测到：溶液中的纳米多孔金，在周期变化的外力作用下能输出与外力频率相同的电信号。纳米多孔金这种将力的信号转变为电信号的“力电转换”性能，使其在振动传感方面有重要的潜在应用价值，但这一全新物理现象的变化规律和机理尚不清楚。本项目拟通过实验测量和理论分析，揭示和描述纳米多孔金属在溶液中时，外力作用下产生的变形引起的表面应力变化与其表面电荷密度变化的定量关系和物理机制。研究超声波场中多孔金属表面应力产生和变化机理，得到超声波与输出电信号的定量关系。并通过对材料几何尺寸、吸附状态等因素的调控，为纳米多孔结构材料的功能化设计提供理论基础和实验验证。本研究对于揭示纳米多孔导电材料“力电转换”行为的物理机制、量化传感效应及控制因素、开发能在不同领域应用的高灵敏度新型振动与超声传感器件的研制都具有重要意义。

压电材料被广泛利用，其正压电和逆压电现象联系了“力”和“电”间的关系。然而众所周知，金属却不具备“压电现象”。本项目以纳米多孔金属这一具有极高的比表面积，导电性、力学性能良好等优异特性的材料为研究对象，研究其“力/电转换”的性能。项目已按原计划完成如下工作：首先实验研究了纳米多孔金的将力的信号转变为电信号的“力电转换”性能。同样的样品，先施加往复变化的电信号，测量其应变；然后施加往复变化的载荷，测量其电信号输出；经过测量，得到两个过程的力电耦合系数相同，使其在驱动、振动传感方面有重要的潜在应用价值，并从理论上解释了这一全新物理现象的变化规律和机理。揭示和描述了纳米多孔金属在溶液中时，外力作用下产生的变形引起的表面应力变化与其表面电荷密度变化的定量关系。并通过对材料几何尺寸、吸附状态等因素的调控，为纳米多孔结构材料的功能化设计提供理论基础和实验验证。本研究对于揭示纳米多孔导电材料“力电转换”行为的物理机制、量化传感效应及控制因素、开发能在不同领域应用的高灵敏度新型振动与超声传感器件的研制都具有重要意义。同时也研制成功了不同的廉价多孔材料，并研究材料本身和相关复合材料的力学性能，以及不同系统的“电力”和“力电”耦合问题，为纳米多孔材料在驱动和传感领域的应用提供了理论基础和技术储备。