【儀表網(wǎng) 研發(fā)快訊】鐵電體作為一類多功能材料，兼具壓電性、高介電常數(shù)、自發(fā)極化以及熱釋電等特性，廣泛應(yīng)用于電驅(qū)動、信息存儲和超聲換能等領(lǐng)域。近年來，可穿戴柔性電子器件的迅猛發(fā)展，對電子材料的柔性與彈性提出了更高要求。因此，推動鐵電材料的彈性化，已成為柔性電子技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。
 

　　中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所前沿交叉科學(xué)研究中心胡本林研究員等長期致力于彈性鐵電體的研發(fā)。前期，研究人員提出了一種鐵電材料的本征彈性化策略(Science 2023, 381, 540)，通過精準調(diào)控交聯(lián)密度的“微交聯(lián)”策略，在實現(xiàn)彈性化的同時，有效減少了結(jié)構(gòu)調(diào)整對結(jié)晶性能的不利影響，開創(chuàng)性地在同一材料中同時實現(xiàn)了高彈性與鐵電性。后續(xù)，針對彈性鐵電聚合物聚偏二氟乙烯-三氟乙烯P(VDF-TrFE)存在交聯(lián)溫度過高和居里轉(zhuǎn)變溫度偏低等問題，研究人員通過引入高活性卡賓中間體，并合成高VDF含量、帶雙鍵結(jié)構(gòu)的鐵電聚合物，有效協(xié)同提升了交聯(lián)活性和居里轉(zhuǎn)變溫度，成功制備了高居里溫度(85 ℃)和低交聯(lián)溫度(150 ℃)的彈性鐵電聚合物(J. Am. Chem. Soc. 2024, 146, 5614)。盡管該材料在性能上取得一定突破，但其剩余極化強度仍有限，將會影響后續(xù)的實際應(yīng)用。
 

　　為了進一步提高彈性鐵電聚合物的剩余極化強度以及居里轉(zhuǎn)變溫度，研究人員結(jié)合分子結(jié)構(gòu)設(shè)計與工藝流程創(chuàng)新，得到了一種高性能彈性鐵電材料。在分子設(shè)計方面，研究人員采用“一步法堿處理”，在商品化P(VDF-TrFE)共聚物中引入不飽和雙鍵(DB)，得到新型聚合物P(VDF-TrFE-DB)。該材料的居里轉(zhuǎn)變溫度高達136 ℃，接近原料P(VDF-TrFE) 80/20 mol%的水平，同時具有良好的拉伸塑性(斷裂伸長率約250%)。在熱處理工藝方面，為了進一步降低交聯(lián)劑用量，研究人員發(fā)展了“兩步法熱加工工藝”，首先通過低溫交聯(lián)(LT，100 ℃)處理，在P(VDF-TrFE-DB)居里轉(zhuǎn)變溫度以下利用卡賓中間體與雙鍵反應(yīng)，在材料非晶區(qū)構(gòu)建交聯(lián)網(wǎng)絡(luò)，賦予材料高彈性；隨后通過高溫退火(HT，140 ℃)處理，促進鐵電晶疇的有序生長，增強極化強度與熱穩(wěn)定性。最終得到的彈性鐵電聚合物，在交聯(lián)密度1.5%條件下表現(xiàn)出較佳的綜合性能：斷裂伸長率接近400%以上，在50%應(yīng)變下彈性回復(fù)率超過80%，居里轉(zhuǎn)變溫度達140 ℃，剩余極化強度達7.63 μC cm?²，接近商用P(VDF-TrFE)(8.82 μC cm?²)，是目前已報道彈性鐵電聚合物的最高紀錄。
 

　　相關(guān)成果以“High-performance elastic ferroelectrics via low temperature carbene crosslinking and high temperature annealing”為題發(fā)表于Chemical Science期刊(DOI: 10.1039/d5sc01467k)，并入選“2025 Chemical Science 熱點文章合集”。王林萍助理研究員為論文第一作者，胡本林研究員為通訊作者。該工作得到了國家重點研發(fā)計劃(2024YFB3814103)、寧波市自然科學(xué)基金(2024J107)、國家自然科學(xué)基金(22475226)、浙江省自然科學(xué)基金(LR24E030003、LQN25B040003)和湖南省科技創(chuàng)新計劃(2022RC3069)等項目的資助。
 

圖1 高性能彈性鐵電聚合物設(shè)計策略示意圖