【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】在過去的幾十年中，通過在基于陶瓷的弛豫鐵電材料中構(gòu)建準同型相界(MPB)行為，成功實現(xiàn)了壓電系數(shù)的顯著提升，使其在執(zhí)行器、換能器和傳感器應(yīng)用中表現(xiàn)出色。然而，在柔性鐵電聚合物，如聚(偏二氟乙烯-三氟乙烯)(P(VDF-TrFE))中，由于缺乏對聚合物鏈結(jié)構(gòu)和組成的合理設(shè)計，僅在正常的鐵電狀態(tài)下實現(xiàn)了類似MPB的行為，其壓電系數(shù)(d33)最高約為−63.5 pC/N。
 

　　針對這一問題，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院張志成教授聯(lián)合電子科學(xué)與工程學(xué)院魏曉勇教授通過完全氫化聚(偏二氟乙烯-三氟氯乙烯)(P(VDF-CTFE))合成制備了弛豫鐵電聚合物H-P(VDF-TrFE)，兼具優(yōu)異的弛豫特性和高的剩余極化強度，并且當(dāng)TrFE含量為23mol%時，誘導(dǎo)了H-P(VDF-TrFE)表現(xiàn)出類似于陶瓷的MPB行為，d33高達-107 pC/N，比商業(yè)PVDF(−20 pC/N)高出五倍以上，為開發(fā)具有超高壓電性能的柔性鐵電聚合物提供了新的策略。
 

　　與直接共聚法制備的C-P(VDF-TrFE)中VDF和TrFE單元主要以頭-尾(H-T)連接不同，H-P(VDF-TrFE)中的VDF和TrFE單元主要以頭-頭/尾-尾(H-H/T-T)的方式連接，且TrFE單元沿分子鏈隨機分布。在這種H-H/T-T結(jié)構(gòu)中，與TrFE相鄰的VDF單元更傾向于形成旁氏(g)構(gòu)象，而不是C-P(VDF-TrFE)中的反式(t)構(gòu)象。這種差異導(dǎo)致在低TrFE含量下H-P(VDF-TrFE)表現(xiàn)出強弛豫特性(γ指數(shù)為1.75)，而C-P(VDF-TrFE)在類似TrFE含量下表現(xiàn)出典型的鐵電行為(γ指數(shù)為1.21)。此外，低的TrFE含量還使H-P(VDF-TrFE)保持了相對較高的Pr(5.2 μC/cm2)，有利于產(chǎn)生更高的d33。更重要的是，當(dāng)TrFE含量為23 mol%時，可以誘導(dǎo)H-P(VDF-TrFE)從all-trans構(gòu)象轉(zhuǎn)變?yōu)?/1 helix構(gòu)象，表現(xiàn)出類似陶瓷的MPB行為。這項工作為制備高性能柔性壓電聚合物提供了新的思考。
 

　　該研究成果以《通過調(diào)節(jié)P(VDF-TrFE)的序列和納米疇結(jié)構(gòu)實現(xiàn)超高的壓電系數(shù)》(Ultrahigh Piezoelectric Coefficients Achieved by Tailoring the Sequence and Nano-domain Structure of P(VDF-TrFE)為題發(fā)表在《先進材料》(Advanced Materials)上，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院為第一通訊單位。西安交通大學(xué)博士研究生秦霸(共一第一)和西安石油大學(xué)碩士研究生丁國通(共一第二)為論文共同第一作者，西安交通大學(xué)張志成教授、魏曉勇教授和譚少博教授為論文通訊作者。本文得到國家重點研發(fā)計劃和國家自然科學(xué)基金的資助。
 

　　張志成，西安交通大學(xué)化學(xué)學(xué)院教授，博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域包括新型氟聚合物的設(shè)計與可控合成，新型電介質(zhì)的分子設(shè)計與偶極調(diào)控，電活性高分子及其在高儲能電容器、壓電傳感器等領(lǐng)域的應(yīng)用等。