西安交通大学张志成教授课题组与美国宾州州立大学王庆教授合作，弛豫铁电聚合物电致应变材料中取得新进展

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以PVDF基聚合物为首的弛豫铁电聚合物因其具有巨大的电致应变，较高的储能模量以及很快的响应速度可以作为智能材料被广泛应用。然而，现阶段弛豫铁电聚合物具有两个明显的缺陷：首先，它需要很高的电场才能实现具有应用意义的应变；其次，由于聚合物击穿场强的限制，输出的弹性能量密度不够大。

最近，西安交通大学张志成教授课题组与美国宾州州立大学王庆教授合作，通过对分子结构设计得到了低电场下具有较大介电常数以及高击穿场强的新型弛豫铁电聚合物，实现了低电场下大应变（60 MV m^-1 应变为-3.0%），同时最大应变达到-13.4%，最大能量密度为3.1 J cm^-3，是目前弛豫铁电聚合物中性能最好的，并且通过非常简单的加工工艺就可以制作成低电场下双向大应变的驱动器。该研究成果以Superior Electrostrictive Strain Achieved Under Low Electric Fields in Relaxor Ferroelectric Polymers 为题发表在 J. Mater. Chem. A., 2019, 7, 5201上。

首先，不同于传统弛豫铁电体对于三氟乙烯的依赖，直接将聚（偏氟乙烯-三氟氯乙烯）（P(VDF-CTFE)摩尔比为80/20）经消去氯化氢（J. Mater. Chem., 2012, 22, 18496）得到含有20 mol%双键的聚合物(P(VDF-DB))，经500%拉伸之后，可以得到具有弛豫铁电相的聚合物。其介电温谱如图1a，P(VDF-DB)-500具有接近室温的居里转变峰并且其温谱具有频率依赖性，符合典型的弛豫铁电体的温谱特征。聚合物在高电场下的介电常数为图1b，该聚合物具有远高于常规弛豫铁电聚合物的介电常数，且所需电场更低，拉伸使得P(VDF-DB)-500具有非常高的击穿场强（图1c）。由可知（Q是电致伸缩系数，P是电场下的电位移值，ε₀是真空介电常数（8.85x10^-12 F m^-1），κ是聚合物的介电常数，E是施加的电场），低电场下的大介电常数使得聚合物在低电场下就会有较大的应变。

图1. (a) P(VDF-DB)-500的介电温谱; (b) P(VDF-DB)-500和P(VDF-TrFE-CTFE)在高电压下的介电常数; (c) P(VDF-DB)-500和P(VDF-TrFE-CTFE)的击穿场强.

图2a为聚合物应变随电场变化的趋势，可以看到P(VDF-DB)-500在很低的电场下就出现了很大的应变，而传统弛豫铁电聚合物在电场小于50 MV m^-1时应变非常小。在60MV m^-1时，P(VDF-DB)-500应变为-3.0%，相当于P(VDF-TrFE-CTFE)的4-5倍。P(VDF-DB)-500的最大应变为-13.4%（275 MV m^-1），是P(VDF-TrFE-CTFE)的3.5倍（-4.0%，120 MV m^-1），是此前报道的应变最高值（P(VDF-TrFE-CFE)）的两倍（-7.0%，180 MV m^-1）。P(VDF-DB)-500的最大能量密度为3.1 J cm^-3，是此前报道最大值的近3倍（1.1 J cm^-3）。

图2. (a) P(VDF-DB)-500和P(VDF-TrFE-CTFE)的电致应变随电场变化; (b) P(VDF-DB)-500和P(VDF-TrFE-CTFE)的机电耦合系数; (c) P(VDF-DB)-500和P(VDF-TrFE-CTFE)的储能密度.

图3展示了将P(VDF-DB)-500制成电驱动器后，其在电场下的形变。图3a为驱动器在电场下的应变图像，可以看到在很低的电场下驱动器就能实现很大形变（30 MV m^-1，210 V）。并且，继续加大电场，驱动器可以反向形变（50 MV m^-1，350 V）。将测量数据列在图3b中可以看出，制成驱动器后，在低电场下P(VDF-DB)-500驱动器就具有很大的应变，是P(VDF-TrFE-CTFE)驱动器的三倍以上。P(VDF-DB)-500以其优良的性能，简单的工艺条件将拓宽电活性聚合物的应用范围和前景。

图3. (a) 驱动器在较低电场下的形变; (b) 驱动器在直流电场下应变与电场关系.

该工作主要由课题组汪霄博士生完成，是课题组基于多年来在PVDF基氟聚合物改性及铁电压电薄膜研究基础上开展的，该工作结果的取得为新型电致伸缩聚合物薄膜及器件的设计制备提供了新思路。感谢国家自然基金（51773166, 51573146）和西安市新能源材料化学重点实验室（201805056ZD7CG40）的资助，也感谢合作单位（美国宾州州立大学王庆教授、西安交通大学陈花玲教授和朱子才副教授团队、中化蓝天集团有限公司）的帮助，感谢西安交通大学分析测试共享中心（HPC Platform）的支持。

论文链接：

http://dx.doi.org/10.1039/C8TA11938D

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