宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队 JACS：高居里温度的弹性铁电聚合物

2024-02-19 来源：高分子科技

铁电体是一种能在一定温度范围内具有自发极化且极化方向可随外加电场改变进行翻转的晶体材料。作为一种特殊的功能材料，铁电体在非易失性存储、传感、驱动以及能量转换等领域有着广泛的应用。随着可穿戴可植入电子产品的发展，将功能材料弹性化是未来的研究发展趋势。将铁电体弹性化并同时保持其高铁电性，是柔弹性电子领域的一大挑战。

聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）半结晶聚合物是一类应用较为广泛的铁电聚合物，具有化学结构稳定、可溶液加工以及可拉伸等性质，是制备弹性铁电体的较佳原料。该类材料的铁电性（极化强度和居里温度）随着VDF比例的增加而提高，但是其退火后的拉伸性随着VDF比例的增加而显著降低，制约了高VDF比例P(VDF-TrFE)在弹性铁电聚合物中的应用。因此，如何获得同时兼具高弹性和高铁电性的弹性铁电聚合物是该领域的一大难点。

基于该问题，近期，中国科学院宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队在前期通过精准“微交联”获得弹性P(VDF-TrFE) 55/45 mol%铁电聚合物的基础上（Science 2023, 381, 540），以PVDF基铁电聚合物为原料，设计卡宾交联反应以及调控高VDF铁电聚合物的结构，制备了高居里温度的弹性铁电聚合物。该研究通过设计合成了带有双吖丙啶端基的交联剂，降低了交联剂的反应能垒（图1）；合成了高VDF含量且带有双键结构缺陷的P(VDF-TrFE-DB) 75/25/5 mol%铁电聚合物，在提高VDF结晶性的同时维持了退火后聚合物的拉伸性能。将交联剂和P(VDF-TrFE-DB)共混加热交联，成功制备了高居里温度（85℃）和低交联温度（150℃）的弹性铁电聚合物（图2）；在3%交联密度下，具有较佳的结晶度和较软的杨氏模量（图2&3）；交联后的P(VDF-TrFE-DB)具有显著的铁电性能（图4）,并在50%应变下保持了稳定的铁电响应（图5）。该工作提出了一种制备弹性铁电体的新方法，提升了弹性铁电的居里温度，扩大了其潜在应用。

图1.通过卡宾交联制备高居里温度弹性铁电聚合物的示意图

图2.不同交联密度的P(VDF-TrFE-DB)薄膜的(A)二次升温DSC曲线、(B)热焓变化和结晶度。

图3.铁电薄膜的力学性能

图4.弹性铁电薄膜的铁电性能

图5.弹性铁电薄膜在应变作用下的铁电响应

该工作以“High-Curie-Temperature Elastic Polymer Ferroelectric by Carbene Cross-Linking”为题发表在《J Am Chem Soc》上（doi：10.1021/jacs.3c14310）。文章第一作者是中国科学院宁波材料所博士后王林萍博士，通讯作者是中国科学院宁波材料所胡本林研究员和李润伟研究员。该研究得到了中国科学院百人计划、国家自然科学基金和浙江省自然科学基金等项目的支持。

原文链接：https://pubs.acs.org/doi/10.1021/jacs.3c14310

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

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（责任编辑：xu）

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