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寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團隊 JACS：高居里溫度的彈性鐵電聚合物

2024-02-19 來源：高分子科技

鐵電體是一種能在一定溫度范圍內具有自發極化且極化方向可隨外加電場改變進行翻轉的晶體材料。作為一種特殊的功能材料，鐵電體在非易失性存儲、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，將功能材料彈性化是未來的研究發展趨勢。將鐵電體彈性化并同時保持其高鐵電性，是柔彈性電子領域的一大挑戰。

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。該類材料的鐵電性（極化強度和居里溫度）隨著VDF比例的增加而提高，但是其退火后的拉伸性隨著VDF比例的增加而顯著降低，制約了高VDF比例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該領域的一大難點。

基于該問題，近期，中國科學院寧波材料所柔性磁電功能材料與器件團隊在前期通過精準“微交聯”獲得彈性P(VDF-TrFE) 55/45 mol%鐵電聚合物的基礎上（Science 2023, 381, 540），以PVDF基鐵電聚合物為原料，設計卡賓交聯反應以及調控高VDF鐵電聚合物的結構，制備了高居里溫度的彈性鐵電聚合物。該研究通過設計合成了帶有雙吖丙啶端基的交聯劑，降低了交聯劑的反應能壘（圖1）；合成了高VDF含量且帶有雙鍵結構缺陷的P(VDF-TrFE-DB) 75/25/5 mol%鐵電聚合物，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（圖2）；在3%交聯密度下，具有較佳的結晶度和較軟的楊氏模量（圖2&3）；交聯后的P(VDF-TrFE-DB)具有顯著的鐵電性能（圖4）,并在50%應變下保持了穩定的鐵電響應（圖5）。該工作提出了一種制備彈性鐵電體的新方法，提升了彈性鐵電的居里溫度，擴大了其潛在應用。

圖1.通過卡賓交聯制備高居里溫度彈性鐵電聚合物的示意圖

圖2.不同交聯密度的P(VDF-TrFE-DB)薄膜的(A)二次升溫DSC曲線、(B)熱焓變化和結晶度。

圖3.鐵電薄膜的力學性能

圖4.彈性鐵電薄膜的鐵電性能

圖5.彈性鐵電薄膜在應變作用下的鐵電響應

該工作以“High-Curie-Temperature Elastic Polymer Ferroelectric by Carbene Cross-Linking”為題發表在《J Am Chem Soc》上（doi：10.1021/jacs.3c14310）。文章第一作者是中國科學院寧波材料所博士后王林萍博士，通訊作者是中國科學院寧波材料所胡本林研究員和李潤偉研究員。該研究得到了中國科學院百人計劃、國家自然科學基金和浙江省自然科學基金等項目的支持。

原文鏈接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c14310

下載：High-Curie-Temperature Elastic Polymer Ferroelectric by Carbene Cross-Linking

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（責任編輯：xu）

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