Science：铁电聚合物新进展

纳小二

2022-03-25

铁电材料已广泛用于机电 (EM) 能量转换，例如能量收集、用于成像的声学换能器、故障检测、船舶导航以及机器人中的传感器和人造肌肉等应用。由于其高柔韧性、易于制造成复杂形状、重量轻和成本低，铁电聚合物对这些应用具有吸引力。然而相比于无机聚合物，有机聚合物的低机电性能严重限制了它们在这些应用中的用途。

有鉴于此，宾夕法尼亚大学Q. M. Zhang课题组提出了一种向弛豫铁电聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯-氯氟乙烯）P(VDF-TrFE-CFE)三元共聚物中加入了少量的氟化炔烃 (FA) 单体 (<2 mol%) 的策略，可以通过电磁耦合显著增强了极化变化，同时抑制了对其无贡献的其他极化变化。在40 MV/m的低直流偏置场下，弛豫四聚物的机电耦合系数(k₃₃)为88%，压电系数( d₃₃) >1000 pm/V。

图1. P(VDF-TrFE-CFE-FA)性能测试

作者首先测试了该聚合物在单极和双极电场下的极化响应以及四聚物的介电性能。图中三元共聚物的极化和极化迟滞量大幅增加，表明在60 MV/m左右的电场中发生了向铁电性的转变，然而s-四聚体则没有这种转变。在60 MV/m以下的电场下，三元共聚物的K值较低，因此极化值较低。

图2. P(VDF-TrFE-CFE-FA)的极化数据和电致伸缩性能

而在60 MV/m以上，电场诱导向铁电相的转变使极化、极化滞后和K值高于s-四聚体。也就是说，s-四聚体中的FA缺陷降低了局部极化开关障碍，从而在60 MV/m以下的电场下产生了更高的极化响应。在较高的场下，FA缺陷也阻止了弛豫相向铁电相的转变，这些都是产生高电磁耦合所需要的。

图3. P(VDF-TrFE-CFE-FA)的结构分析

总之，作者认为在弛豫铁电P(VDF-TrFE-CFE)聚合物中引入少量FA单体可以显著增强在低电场下的极化变化，同时抑制极化重定向。具有1.9 mol % FA的四聚体P(VDF-TrFE-CFE-FA)在50 MV/m以下的电场下产生了更高的极化变化，导致较大的电驱动。这使得它们在诸如能量收集、软机器人和可穿戴设备中的传感器和执行器以及成像传感器等实际应用中具有吸引力。

参考文献：

Xin Chen et al. Relaxorferroelectric polymer exhibits ultrahigh electromechanical coupling at lowelectric field, Science, 2022, 375, 1418-1422.

DOI:10.1126/science.abn0936

https://www.science.org/doi/10.1126/science.abn0936