中国科学院在铁电材料领域取得新进展
2024/03/31
762中国科学院在铁电材料领域取得新进展
图 高分子铁电材料弹性化设计思路
铁电材料是一种重要的功能材料，具有高介电常数、压电性、热电性等特性，广泛应用于计算机存储器、超敏感传感器和声呐设备等电子产品中，也是我们日常使用的手机、平板电脑等电子设备中必不可少的材料。近年来，柔性可穿戴器件在便携式移动电子设备和人体运动检测等领域应用前景广阔，受到了广泛的关注。作为制造柔性可穿戴器件的重要材料之一，铁电材料急需实现弹性化。传统铁电陶瓷的弹性应变低于0.2%，高分子铁电体弹性应变小于2%。所以对于传统铁电材料而言，很难兼顾铁电性和弹性。
中国科学院宁波材料技术与工程研究所磁性材料与器件重点实验室柔性磁电功能材料与器件团队基于对铁电材料结构的深入研究，提出了通过微交联法制备弹性铁电体的创新思路，通过对材料结构的精准设计和控制，实现了铁电材料铁电性与弹性的平衡，制备出了在大应变下仍然具有良好铁电响应的高分子材料，这种材料的拉伸率高达125%，也就是说拉伸到原来长度的2倍后，不但能保持原有的铁电性，而且还能在外力撤除后迅速恢复原状。
制备弹性铁电材料的方法被研究团队称之为精确的微交联法。传统的高分子铁电材料主要为线性结构，排列规整的部分形成结晶区提供铁电性，其余分子链相互缠绕形成非晶区域。由于线性的分子链间没有共价连接，一旦施加外力，相互缠绕高分子链会被解开，甚至导致结晶区被破坏，影响铁电性。研究团队采用微交联法，用微量的柔软链状聚合物将铁电晶体周边非晶部分交联起来，相互交织形成具有弹性的网状结构。这种网状结构松散地将铁电晶体连接在一起，在外力作用时，可以产生可逆的弹性形变吸收外力，避免外力对结晶部分的破坏，使材料在一定拉伸范围内能够保持稳定的铁电性。在撤除外力后，弹性的网状结构能够回复至初始状态。这种弹性铁电材料不仅具有很好的拉伸回弹性，而且具有极好的拉伸稳定性，可以承受数千次的反复拉伸而铁电性依然保持稳定，大大提高了可靠性和使用寿命，拓展了使用范围。
在国家自然科学基金项目（批准号：51931011、52127803）资助下，中国科学院宁波材料技术与工程研究所李润伟研究员与胡本林研究员等率先研发出兼具弹性回复与铁电性的高分子材料，有效解决了传统铁电材料不具有大的弹性形变的难题，填补了弹性铁电材料领域的空白。相关工作以“精确微交联法实现聚合物铁电材料弹性化（Intrinsically elastic polymer ferroelectric by precise slight crosslinking）”为题发表在《科学》（Science）杂志上，论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adh2509。
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