壓電高分子在機電傳感器等領(lǐng)域具有廣闊的應用前景，但是其壓電系數(shù)較低（d33 < 30 pC/N），遠小于常見的壓電陶瓷，如PZT（d33 ~ 550 pC/N）。為了使聚合物廣泛應用于壓電材料領(lǐng)域，需大幅度提升其壓電系數(shù)。然而，盡管已有幾十年的研究，聚合物產(chǎn)生壓電性的物理機制仍存在很多爭議。爭議主要集中在是什么組分貢獻了壓電性：晶體，無定形區(qū)，還是晶體-無定形區(qū)界面效應？若沒有清楚的認識，將很難進一步提升聚合物壓電性能。
本工作通過極高電場（> 650 MV/m）單向極化處理雙拉PVDF (BOPVDF)，誘導出取向的純β相，材料呈現(xiàn)出極高的飽和極化強度（Ps ~ 140 mC/m2）以及高介電常數(shù)（~22.9），這導致了顯著提升的壓電系數(shù)（d33 = -62 pC/N）。通過鐵電遲滯回線數(shù)據(jù)分析和分子動力學模擬，本工作證明，極化BOPVDF產(chǎn)生高壓電性的原因是在晶體（52%）和各向同性無定形區(qū)（23%）之間，存在著大量的取向無定形組分（至少25%）。
圖1. WAXD和FTIR證明極化BOPVDF呈現(xiàn)取向的純β結(jié)構(gòu)。圖片來自于原文。
經(jīng)過高電場極化處理，BOPVDF從α+β的混合相，轉(zhuǎn)變?yōu)槿∠蚣儲孪?(圖1)。具有取向純β相的BOPVDF呈現(xiàn)出較高的Ps (140 mC/m2)和介電常數(shù)(22.9)，遠大于極化前BOPVDF的67 mC/m2和9.3 (圖2a)。利用常規(guī)的晶體-非晶體模型，100% β晶的Ps計算為270 mC/m2，高于理論值 (188 mC/m2) (圖2b)。因此，作者提出在傳統(tǒng)的晶體和各向同性無定形區(qū)之間，還存在一種取向無定型結(jié)構(gòu)（oriented amorphous fraction, OAF），計算表明該OAF的含量至少為0.25 (圖2c)。應力誘導的偶極翻轉(zhuǎn)使材料呈現(xiàn)出高壓電系數(shù) (圖2d,e)。
圖2. (a) BOPVDF極化前后的D-E遲滯回線；極化BOPVDF P-E loop曲線對應的(b)晶體-無定形區(qū)兩相結(jié)構(gòu)和(c)晶體-取向無定形組分-無規(guī)無定形組分三相結(jié)構(gòu)；(d)極化BOPVDF在不同動態(tài)應力下的壓電系數(shù)；(e)極化BOPVDF產(chǎn)生正壓電性能的模型圖。圖片根據(jù)原文重新組合。
這一成果近期發(fā)表在Nature Communication上 (Nat. Commun. 2021, 12, 675)。論文的第一作者為深圳大學助理教授黃妍斐，共同第一作者為美國凱斯西儲大學博士生芮冠淳，通訊作者為美國凱斯西儲大學祝磊教授，共同通訊作者為美國凱斯西儲大學Philip L. Taylor教授。
論文鏈接：https://www.nature.com/articles/s41467-020-20662-7
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