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        1. 寧波材料所在彈性鐵電聚合物研究方面取得系列進展

          文章來源:寧波材料技術與工程研究所  |  發布時間:2024-04-24  |  【打印】 【關閉

            

          鐵電體是一種具有自發極化且極化方向可隨外加電場改變的材料,在非易失性存儲、傳感、驅動以及能量轉換等領域有著廣泛的應用。隨著可穿戴、可植入電子產品的發展,迫切需要將功能材料彈性化。

          2023年,中國科學院寧波材料技術與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團隊提出了一種鐵電材料的本征彈性化方法(Science 2023, 381, 540),通過精準調控交聯密度,在實現彈性化的同時,降低了結構改變對材料結晶性能的影響,開創性地在同一材料中同時獲得了高彈性與鐵電性。后續,針對彈性鐵電體的交聯溫度過高、居里溫度較低以及彈性鐵電體類型單一等問題,團隊進行了深入系統的研究。

          聚偏二氟乙烯-三氟乙烯(P(VDF-TrFE))半結晶聚合物是一類應用較為廣泛的鐵電聚合物,具有化學結構穩定、可溶液加工以及可拉伸等性質,是制備彈性鐵電體的較佳原料。該類材料的極化強度和居里溫度都隨著VDF比例的增加而提高;但退火后拉伸性隨著VDF比例的增加而顯著降低,這制約了高VDF含量的P(VDF-TrFE)在彈性鐵電聚合物中的應用。因此,如何獲得同時兼具高彈性和高鐵電性的彈性鐵電聚合物是一個難點?;谠搯栴},寧波材料所王林萍、胡本林和李潤偉等人通過設計合成了帶有雙吖丙啶端基的交聯劑,降低了交聯反應的能壘,同時合成了高VDF含量且帶有雙鍵的鐵電聚合物P(VDF-TrFE-DB) 75/15/5 mol%,在提高VDF結晶性的同時維持了退火后聚合物的拉伸性能。將交聯劑和P(VDF-TrFE-DB)共混加熱交聯,成功制備了高居里溫度(85 ℃)和低交聯溫度(150 ℃)的彈性鐵電聚合物。交聯后的P(VDF-TrFE-DB)具有顯著的鐵電性能,并在50%應變下保持了穩定的鐵電響應(圖1)。

          除了通過熱交聯制備彈性鐵電體,團隊也發展了室溫下光交聯制備弛豫性彈性鐵電體的方法。弛豫性鐵電體具有較高的機電耦合響應,在驅動和能量存儲方面具有深遠的發展潛力。李博文、胡本林和李潤偉等人以弛豫性鐵電聚合物聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯P(VDF-CTFE)為研究對象,通過引入雙鍵,利用巰基-烯點擊反應,在室溫下實現了弛豫鐵電材料的本征彈性化。交聯后的鐵電薄膜具有較好的力學回彈性,斷裂伸長率達260%,并且在50%應變的疲勞測試中,該彈性弛豫鐵電薄膜在3000次應變循環后仍能保持80%的應變回復率,與商品化的氟橡膠P(VDF-HFP)相近。同時,通過分析介電溫譜(ε-T曲線)、極化-電場(P-E)回線和壓電力顯微鏡(PFM)測試,證實了彈性薄膜的弛豫鐵電性。最終,以該彈性弛豫性鐵電體薄膜為介質層制備的全彈性鐵電器件在70%應變下展現了穩定的鐵電響應性,證明了該彈性弛豫性鐵電體應用于可穿戴設備的可行性(圖2)。這項研究為構建本征彈性弛豫鐵電材料提供了一個簡便且高效的新思路。

          相關研究成果分別發表在Journal of the American Chemical Society上(doi:10.1021/jacs.3c14310)和Angewandte Chemie International Edition(doi: 10.1002/anie.202400511)上。該研究得到了國家自然科學基金(51931011、52127803)、浙江省自然科學基金(LR24E030003)和浙江省“錢江人才計劃”(ZJ-QJRC-2020-32)等項目的支持。

          圖1 通過卡賓交聯制備的高居里溫度的彈性鐵電聚合物及其拉伸應變下的鐵電響應

          圖2 基于巰基-烯點擊化學反應的彈性弛豫性鐵電聚合物在不同應變下的P-E loop和極化強度

          (中國科學院磁性材料與器件重點實驗室 王林萍、李博文)

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