凯斯西储大学祝磊教授 Nano Energy：PVDF头头尾尾缺陷对压电性能的影响

2023-06-12 来源：高分子科技

具有可逆应力-电能转换的压电传感材料正成为物联网（IoT）工程中的重要一环。相比于陶瓷，功能性铁电高分子（特别是聚偏氟乙烯，PVDF）在柔性和压电耦合系数（d）上具有优势。然而，由于半结晶性高分子的复杂结构，PVDF的压电来源自上世纪70年代以来就存在着争议。为了进一步发展具有高压电性能、高稳定性的柔性高分子压电器件，我们需要系统性地对PVDF的结构-性质关系进行深入研究。

近日，美国凯斯西储大学祝磊教授团队在聚合物压电材料领域取得重要进展，该成果以“Effect of chemical defects on electrostriction-enhanced piezoelectric property of poly(vinylidene fluoride) via high-power ultrasonication”为题发表在Nano Energy上。该文章的第一作者为凯斯西储大学大分子科学与工程系芮冠淳博士，共同通讯作者为祝磊教授以及Philip L. Taylor教授。该文详细阐述了PVDF头头尾尾（HHTT）结构缺陷以及高强度超声对聚合物结晶行为的影响，从而很大程度地提高了聚合物的介电，铁电，以及压电性能。

图1. 两种不同HHTT含量的PVDF均聚物的熔点差异，从而导致了其压电性能的明显不同

此工作使用了两种不同HHTT含量的PVDF均聚物（HMT:4.3%, LMT：5,9%），1.6%的缺陷差异导致了较大的熔点差异（14.4°C）。随后的XRD，DSC，以及介电谱(BDS)表明，尽管两者均为PVDF均聚物，且同时进行了相同的超声处理，HMT和LMT的结晶度，晶片厚度，取向非晶相（OAF）以及次级晶体含量均存在显著差异。再结合电滞回线（D-E loop）和压电测试，作者分析得出尽管LMT样品具有较低的结晶度，但其超声处理后较高的OAF和次级晶体含量是高压电性能（65°C时，其最高d₃₁=76.2 pm/V）的主要来源。相反地，高结晶度HMT样品超声后压电系数相对较低（65°C，d₃₁=66.6 pm/V），但其热稳定性优于LMT样品（～120oC）。此工作结果表明，OAF和次级晶体的含量对聚合物压电性能有着较为决定性的影响。而超声处理前的HHTT结构以及超声处理对OAF和SC的形成具有很大关系。在接下来的工作中，作者预测，具有更高HHTT含量的PVDF均聚物经超声处理后将会产生更大的压电性能提高。

原文链接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285523004275

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（责任编辑：xu）

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