美国凯斯西储大学祝磊教授《Nat. Commun.》: 高极化率的取向无定形组分增强PVDF的压电性能

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压电高分子在机电传感器等领域具有广阔的应用前景，但是其压电系数较低（d₃₃ < 30 pC/N），远小于常见的压电陶瓷，如PZT（d₃₃ ~ 550 pC/N）。为了使聚合物广泛应用于压电材料领域，需大幅度提升其压电系数。然而，尽管已有几十年的研究，聚合物产生压电性的物理机制仍存在很多争议。争议主要集中在是什么组分贡献了压电性：晶体，无定形区，还是晶体-无定形区界面效应？若没有清楚的认识，将很难进一步提升聚合物压电性能。

本工作通过极高电场（> 650 MV/m）单向极化处理双拉PVDF (BOPVDF)，诱导出取向的纯β相，材料呈现出极高的饱和极化强度（P_s ~ 140 mC/m²）以及高介电常数（~22.9），这导致了显著提升的压电系数（d₃₃ = -62 pC/N）。通过铁电迟滞回线数据分析和分子动力学模拟，本工作证明，极化BOPVDF产生高压电性的原因是在晶体（52%）和各向同性无定形区（23%）之间，存在着大量的取向无定形组分（至少25%）。

图1. WAXD和FTIR证明极化BOPVDF呈现取向的纯β结构。图片来自于原文。

经过高电场极化处理，BOPVDF从α+β的混合相，转变为取向纯β相 (图1)。具有取向纯β相的BOPVDF呈现出较高的P_s (140 mC/m²)和介电常数(22.9)，远大于极化前BOPVDF的67 mC/m²和9.3 (图2a)。利用常规的晶体-非晶体模型，100% β晶的P_s计算为270 mC/m²，高于理论值 (188 mC/m²) (图2b)。因此，作者提出在传统的晶体和各向同性无定形区之间，还存在一种取向无定型结构（oriented amorphous fraction, OAF），计算表明该OAF的含量至少为0.25 (图2c)。应力诱导的偶极翻转使材料呈现出高压电系数 (图2d,e)。

图2. (a) BOPVDF极化前后的D-E迟滞回线；极化BOPVDF P-E loop曲线对应的(b)晶体-无定形区两相结构和(c)晶体-取向无定形组分-无规无定形组分三相结构；(d)极化BOPVDF在不同动态应力下的压电系数；(e)极化BOPVDF产生正压电性能的模型图。图片根据原文重新组合。

这一成果近期发表在Nature Communication上 (Nat. Commun. 2021, 12, 675)。论文的第一作者为深圳大学助理教授黄妍斐，共同第一作者为美国凯斯西储大学博士生芮冠淳，通讯作者为美国凯斯西储大学祝磊教授，共同通讯作者为美国凯斯西储大学Philip L. Taylor教授。

论文链接：

https://www.nature.com/articles/s41467-020-20662-7

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