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400-607-9388

时隔40年,再次刊发!985高校最新Science

2023-05-16
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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。对偏氟乙烯(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。

2023年5月12日,上海交通大学钱小石等人在Science 在线发表题为“Fluoropolymer ferroelectrics: Multifunctional platform for polar-structured energy conversion”的综述,该文综述了含氟聚合物铁电体作为极性结构能量转换的多功能平台的最新研究进展。

该综述重点介绍了含氟聚合物铁电体及其能量交叉耦合效应的最新进展,以及新兴技术,包括可穿戴、高效机电致动器和传感器、电热制冷和介电设备。通过简单的缺陷偏置,对极化场相互作用进行分子和纳米结构操作,可以增强物理效果,从而实现新兴沉浸式虚拟世界的多感官和多功能可穿戴设备,以及可持续未来的智能系统。据了解,这是Science 自1983年发表首篇铁电高分子综述后,40年后再次刊登铁电高分子领域的综述论文


尽管半导体、压电体和铁电体等功能性无机材料通常比聚合物具有更高的性能指标,但由于结晶有序,聚合物由于易于制造、机械坚固、重量和成本较低以及与组织和水匹配的声阻抗,是有吸引力的替代品。铁电体是表现出额外内部极化有序的绝缘体,称为自发极化Ps,其方向可以通过施加电场来反转。压电性是一种线性机电效应,其中施加的电场E可以引起材料中机械应力X的变化,反之亦然。压电性用于致动器、换能器、传感器和固态电机。虽然不是所有的压电材料都是铁电的,但铁电体在已知的压电体中表现出最强的压电性。铁电体在高介电常数电容器、非易失性存储器和电光器件中也有应用。

这些效应首先在无机材料中发现,后来在聚合物中发现。1969年,Kawai报道了机械拉伸聚偏氟乙烯(PVDF)中的压电性,20世纪70年代报道了铁电性。20世纪80年代初,P(VDF-TrFE)的开发,其中VDF是偏二氟乙烯,TrFE是三氟乙烯,在不需要机械拉伸的情况下实现了更强的压电和铁电响应。这些聚合物铁电体已在商业产品中得到应用,如可穿戴传感器、用于医学成像的可变形和柔性换能器、水下导航、软机器人和致动器。

正常铁电体中的极化表现为宏观极区。通过缺陷和掺杂剂将宏观极区分解为纳米级极区,将普通铁电体转变为弛豫铁电体,弛豫铁电在宽温度范围内表现出大的可逆(无磁滞)电场诱导的极化变化。在所有铁电体中,材料中的极化与外部刺激的直接耦合导致了无数的功能特性和应用。因此,20世纪90年代末和21世纪初,在缺陷改性的P(VDF-TrFE)聚合物(如P(VDF-TrFE-CFE)三元共聚物(其中CFE是氯氟乙烯)中发现和发展了弛豫铁电性,为具有有用特性的聚合物铁电性创造了一种设计范式。

这些铁电聚合物的易于制造、机械坚固性和与组织和水的声阻抗匹配,再加上先进的制造,促进了在纤维可穿戴设备、平板和柔性空调(AC)、生物医学设备、人造肌肉、软机器人、发射能量传感和成像方面的发展和潜在应用。可穿戴设备、生物医学设备和软机器人中的一些产品已经商业化,其他产品仍在研发中。

原文链接:
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0902

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