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凱斯西儲(chǔ)大學(xué)祝磊教授 Nano Energy：PVDF頭頭尾尾缺陷對(duì)壓電性能的影響
2023-06-12  來源：高分子科技

  具有可逆應(yīng)力-電能轉(zhuǎn)換的壓電傳感材料正成為物聯(lián)網(wǎng)（IoT）工程中的重要一環(huán)。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(shù)（d）上具有優(yōu)勢(shì)。然而，由于半結(jié)晶性高分子的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，PVDF的壓電來源自上世紀(jì)70年代以來就存在著爭(zhēng)議。為了進(jìn)一步發(fā)展具有高壓電性能、高穩(wěn)定性的柔性高分子壓電器件，我們需要系統(tǒng)性地對(duì)PVDF的結(jié)構(gòu)-性質(zhì)關(guān)系進(jìn)行深入研究。


  近日，美國(guó)凱斯西儲(chǔ)大學(xué)祝磊教授團(tuán)隊(duì)在聚合物壓電材料領(lǐng)域取得重要進(jìn)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(fā)表在Nano Energy上。該文章的第一作者為凱斯西儲(chǔ)大學(xué)大分子科學(xué)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(xì)闡述了PVDF頭頭尾尾（HHTT）結(jié)構(gòu)缺陷以及高強(qiáng)度超聲對(duì)聚合物結(jié)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(diǎn)差異，從而導(dǎo)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(dǎo)致了較大的熔點(diǎn)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(shí)進(jìn)行了相同的超聲處理，HMT和LMT的結(jié)晶度，晶片厚度，取向非晶相（OAF）以及次級(jí)晶體含量均存在顯著差異。再結(jié)合電滯回線（D-E loop）和壓電測(cè)試，作者分析得出盡管LMT樣品具有較低的結(jié)晶度，但其超聲處理后較高的OAF和次級(jí)晶體含量是高壓電性能（65°C時(shí)，其最高d31=76.2 pm/V）的主要來源。相反地，高結(jié)晶度HMT樣品超聲后壓電系數(shù)相對(duì)較低（65°C，d31=66.6 pm/V），但其熱穩(wěn)定性優(yōu)于LMT樣品（～120oC）。此工作結(jié)果表明，OAF和次級(jí)晶體的含量對(duì)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(jié)構(gòu)以及超聲處理對(duì)OAF和SC的形成具有很大關(guān)系。在接下來的工作中，作者預(yù)測(cè)，具有更高HHTT含量的PVDF均聚物經(jīng)超聲處理后將會(huì)產(chǎn)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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