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凱斯西儲大學祝磊教授 Nano Energy：PVDF頭頭尾尾缺陷對壓電性能的影響

2023-06-12 來源：高分子科技

具有可逆應力-電能轉換的壓電傳感材料正成為物聯網（IoT）工程中的重要一環。相比于陶瓷，功能性鐵電高分子（特別是聚偏氟乙烯，PVDF）在柔性和壓電耦合系數（d）上具有優勢。然而，由于半結晶性高分子的復雜結構，PVDF的壓電來源自上世紀70年代以來就存在著爭議。為了進一步發展具有高壓電性能、高穩定性的柔性高分子壓電器件，我們需要系統性地對PVDF的結構-性質關系進行深入研究。

近日，美國凱斯西儲大學祝磊教授團隊在聚合物壓電材料領域取得重要進展，該成果以“Effect of chemical defects on electrostriction-enhanced piezoelectric property of poly(vinylidene fluoride) via high-power ultrasonication”為題發表在Nano Energy上。該文章的第一作者為凱斯西儲大學大分子科學與工程系芮冠淳博士，共同通訊作者為祝磊教授以及Philip L. Taylor教授。該文詳細闡述了PVDF頭頭尾尾（HHTT）結構缺陷以及高強度超聲對聚合物結晶行為的影響，從而很大程度地提高了聚合物的介電，鐵電，以及壓電性能。

圖1. 兩種不同HHTT含量的PVDF均聚物的熔點差異，從而導致了其壓電性能的明顯不同

此工作使用了兩種不同HHTT含量的PVDF均聚物（HMT:4.3%, LMT：5,9%），1.6%的缺陷差異導致了較大的熔點差異（14.4°C）。隨后的XRD，DSC，以及介電譜(BDS)表明，盡管兩者均為PVDF均聚物，且同時進行了相同的超聲處理，HMT和LMT的結晶度，晶片厚度，取向非晶相（OAF）以及次級晶體含量均存在顯著差異。再結合電滯回線（D-E loop）和壓電測試，作者分析得出盡管LMT樣品具有較低的結晶度，但其超聲處理后較高的OAF和次級晶體含量是高壓電性能（65°C時，其最高d₃₁=76.2 pm/V）的主要來源。相反地，高結晶度HMT樣品超聲后壓電系數相對較低（65°C，d₃₁=66.6 pm/V），但其熱穩定性優于LMT樣品（～120oC）。此工作結果表明，OAF和次級晶體的含量對聚合物壓電性能有著較為決定性的影響。而超聲處理前的HHTT結構以及超聲處理對OAF和SC的形成具有很大關系。在接下來的工作中，作者預測，具有更高HHTT含量的PVDF均聚物經超聲處理后將會產生更大的壓電性能提高。

原文鏈接:https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S2211285523004275

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（責任編輯：xu）

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