Science: 含氟聚合物铁电体：用于极性结构能量转换的多功能平台

图图

一、【导读】

铁电材料是目前应用最广泛的材料系统之一，并且不断以更高的效率产生改进的功能。聚偏二氟乙烯（PVDF）基聚合物铁电体的进步为需要便携、轻便、耐磨和耐用功能的应用提供了弯曲、高效耦合和多功能的材料平台。

二、【成果掠影】

近日，上海交通大学 钱小石Xiaoshi Qian，美国 宾夕法尼亚州立大学（The Pennsylvania State University）Xin Chen，Q. M. Zhang，凯斯西储大学（Case Western Reserve University）Lei Zhu， 在Science上发表综述文章，论述了含氟聚合物铁电材料的最新进展、其能量交叉耦合效应以及新兴技术，包括可穿戴、高效机电致动器和传感器、电热制冷和介电器件。相关研究成果以“Fluoropolymer ferroelectrics: Multifunctional platform for polar-structured energy conversion”为题在Science上发表。

三、【数据概览】

图1 聚合物铁电体的潜在机制。（A） 普通铁电聚合物的典型P-E环。（B） 压电原理图。（C） 弛豫铁电聚合物的典型P-E环。（D） 电热耦合示意图。（E） b相PVDF的伪六方晶体结构和正交晶胞（红线）中的偶极旋转示意图。（F） 基本构象，不同的链间和链内组合在PVDF聚合物中形成不同的相。t、 反式；g/g′，高切。（G） 从3/1螺旋到tttt的构象变化中的几何结构变化示意图。（H） 铁电P（VDF-TrFE）聚合物中自组织的环面拓扑结构。（I） P（VDF-TrFE）共聚物的MPB处的增强压电效应。（J和K）在C=C调制的四聚合物中的ECE（J）和EM耦合效率（K）的巨大增强。© 2023 AAAS

图2 使用PVDF基聚合物的EM应用进展。（A） 基于PVDF的可穿戴能量采集器的光学图像。（B） PVDF/BTO复合纤维与声学织物集成的示意图。（C） 基于压电聚合物的可重复使用口罩原型示意图。（D） 高通公司手指扫描仪设想的手指图案示意图。（E） （上图）光学照片显示了一个昆虫规模的机器人。嵌入式扫描电子显微镜图像显示了具有不同材料层的原型机器人的横截面图。（底部）显示蟑螂质心运动的波状运动路径的比较。（F） 基于PVDF松弛剂的局部触觉反馈装置示意图。RFP，弛豫铁电聚合物。© 2023 AAAS

图3  使用PVDF基聚合物的EC冷却技术的进展。使用铁电聚合物作为固态制冷剂的EC冰箱的原型。（A） 使用电子束辐照的共聚物并在AER循环下操作的全固体EC冷却装置。（B） 在AER循环下运行的ML旋转EC冷却装置示意图。（C和D）使用流体（空气）作为再生器的EC冰箱的示意图（C）；实现了14K的最大温度跨度（D）。（E和F）由弛豫铁电聚合物制成的冷却管（E），为通过它的流体提供加热和冷却（F）。（G和H）串联EC原型，使用静电振荡（G）来操作制冷循环并将快速冷却引入锂电池（H）。© 2023 AAAS

图4 PVDF基聚合物的高级介电应用。（A） 具有P（VDF TrFE）作为栅极电介质的高弯曲FeFET存储器的示意图。（B） 基于P（VDF-TrFE）的光纤有机存储器（FOM）示意图。插图展示了一种集成了FOM的织物。（C） 铁电层P（VDF-TrFE）在FeFET器件中的3D堆叠示意图。（D） PVDF薄膜连续折叠后的放电能量密度。插图显示该膜是通过轧制和压制制备的。（E） PC/PVDF ML膜的原子力显微镜图像，32层，每层厚度为400nm。© 2023 AAAS

五、【成果启示】

对于铁电聚合物，尽管聚合物链中的偶极子是极化的关键，但稀释的纳米复合材料现象表明，对于相同的聚合物偶极子，微量的纳米填料可以引起局部和纳米级聚合物链形态的变化，从而导致介电常数（以及因此的极化）和击穿强度的显著增强。在功能材料中，使用微量的掺杂剂和缺陷来定制、建立和增强所需的功能性能是众所周知的，并且被广泛使用。基于PVDF的聚合物铁电体和稀释纳米复合材料的进展也证明了小缺陷在选择性地调整和影响这些极化过程方面的有效性，从而在所需的交叉耦合效应（如EM耦合、ECE和介电性能）中产生高能量转换效率。利用PVDF基聚合物丰富的极化过程及其潜在的分子结构、纳米结构和介观结构的活性聚合物研究有可能发现和开发下一代聚合物铁电体，这些铁电体是用户友好的，可以在更高的温度下操作，并且产生与基于PVDF的聚合物甚至无机铁电体的电活性耦合相媲美的高电活性耦合。

原文详情：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0902

本文由图图供稿