科学研究

深圳大学材料学院黄妍斐助理教授在Nature Communication上发表关于PVDF压电性能的研究论文

发表于: 2021-10-11 11:06 点击:

材料学院黄妍斐助理教授在期刊《Nature Communication》(影响因子:14.919,中科院大类一区)上发表题为“Enhanced piezoelectricity from highly polarizable oriented amorphous fractions in biaxially oriented poly(vinylidene fluoride) with pure β crystals”的研究论文。该论文的第一作者为深圳大学材料学院助理教授黄妍斐,共同第一作者为美国凯斯西储大学在读博士生芮冠淳,通讯作者为美国凯斯西储大学Lei Zhu教授,共同通讯作者为美国凯斯西储大学Philip L. Taylor教授。深圳大学材料学院为论文第一单位。

1. (a) BOPVDF极化前后的D-E迟滞回线;极化BOPVDF P-E loop曲线对应的(b)晶体-无定形区两相结构和(c)晶体-取向无定形组分-无规无定形组分三相结构;(d)极化BOPVDF在不同动态应力下的压电系数;(e)极化BOPVDF产生正压电性能的模型图。图片根据原文重新组合。

压电高分子在机电传感器等领域具有广阔的应用前景,但是其压电系数较低(d33 < 30 pC/N),远小于常见的压电陶瓷,如PZT(d33 ~ 550 pC/N)。为使聚合物广泛应用于压电材料领域,需大幅度提升其压电系数。然而,尽管已有几十年的研究,聚合物产生压电性的物理机制仍存在很多争议。争议主要集中在是什么组分贡献了压电性:晶体,无定形区,还是晶体-无定形区界面效应?若没有清楚的认识,将很难进一步提升聚合物压电性能。

本工作通过极高电场(> 650 MV/m)单向极化处理双拉PVDF (BOPVDF),将其从无极性α和强极性β的混合构象,诱导为取向纯β相。具有取向纯β相的BOPVDF呈现出较高的饱和极化强度(Ps ~ 140 mC/m2)和介电常数(~22.9),并呈现出显著提升的压电系数(d33 = -62 pC/N)。利用常规的晶体-无定型模型,100% β晶的Ps计算为270 mC/m2,高于DFT计算的理论最高值 (188 mC/m2)。因此,本工作提出,在晶区和无定型组分间,还存在大量的取向无定型组分,该组分是极化BOPVDF产生高压电性能的重要原因。通过铁电迟滞回线数据分析和分子动力学模拟,发现该取向无定形组分的含量至少为25%。该工作关于聚合物产生压电性机制的理解,为进一步提升聚合物压电系数指明了方向。

该工作获得了中国博士后基金(2019M660035)和广东省基础与应用基础研究基金项目(2019A1515110446)的支持。

论文链接:https://www.nature.com/articles/s41467-020-20662-7

                  

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