中科院寧波材料所胡本林研究員Angew：兼具低成本、高熱穩定性和本征彈性的鐵電PVDF均聚物材料

長期以來，彈性鐵電材料因其兼具柔韌性、可拉伸性以及優異的鐵電與壓電響應，被視為下一代可穿戴電子器件的理想候選。然而，當前該類材料主要依賴于價格高昂的聚偏氟乙烯（PVDF）基共聚物，其居里溫度較低，限制了在高溫環境下的應用。相比之下，PVDF均聚物雖然成本低廉且具有較高的本征居里溫度，但其高模量和剛性長期以來阻礙了彈性化的實現，成為該領域面臨的主要挑戰。

近日，中科院寧波材料所胡本林研究員通過“輕微交聯”策略，將高反應活性的柔軟長鏈交聯劑引入PVDF均聚物，首次實現了兼具低成本、高熱穩定性和本征彈性的鐵電材料。該材料在60%的應變下可實現超過80%的彈性恢復，并在110°C高溫下仍保持7.00 μC/cm2的高剩余極化強度。即使在高達70%的應變下，材料也能保持穩定的鐵電響應，為開發適用于高溫環境的可穿戴電子器件開辟了新路徑。相關論文以“Intrinsic Elastification of Ferroelectric Poly(vinylidene fluoride) Homopolymers”為題，發表在Angew。

研究團隊選用PVDF均聚物作為鐵電基體，并采用PEG2000-重氮啶作為交聯劑。兩者溶解于極性溶劑DMF中制成薄膜后，通過熱激活引發交聯反應。差示掃描量熱分析表明，交聯反應始于約100°C，在140°C附近達到峰值。重氮啶基團在受熱時分解產生卡賓中間體，后者插入PVDF骨架的C-H鍵中，形成共價交聯網絡，從而構建出具有彈性的三維網絡結構。

圖1 | PVDF均聚物的交聯過程。 （左）PVDF/PEG2000-重氮啶共混薄膜的DSC曲線；（中）通過卡賓插入實現交聯的機理示意圖；（右）所得PVDF彈性鐵電體的化學結構。

通過調節交聯密度，研究人員系統研究了材料晶體結構與相態的變化。隨著交聯密度增加，PVDF的結晶度顯著下降，同時結晶熔融峰變寬、減弱，表明交聯網絡抑制了PVDF鏈段的規整排列。傅里葉變換紅外光譜分析顯示，交聯后材料中出現了源于PEG的羰基峰，并且極性的γ相特征峰顯著增強。尤其值得注意的是，交聯過程更強烈地抑制了非極性的α相生長，使得γ相比例隨交聯密度上升而相對增加，這有利于提升材料的鐵電與壓電性能。

圖2 | 交聯PVDF均聚物的晶體與相結構。 （A）DSC曲線；（B）由第二次加熱曲線得到的焓變與結晶度變化；（C）FT-IR光譜；（D）不同交聯密度下純PVDF與交聯PVDF薄膜的γ相分數（Fγ）。

在力學性能方面，交聯顯著改變了PVDF的機械行為。純PVDF均聚物表現出高模量與低斷裂伸長率。引入重氮啶交聯劑后，隨著交聯密度提高，材料的屈服行為逐漸減弱直至消失，并在交聯密度為3.71%時開始表現出彈性特征。此時，模量從1.8 GPa大幅下降至約100 MPa，斷裂伸長率先迅速增加后緩慢下降。循環拉伸測試表明，該材料在60%應變下彈性恢復率超過80%，展現出優異的回彈性能。此外，交聯PVDF還具備良好的熱穩定性與耐溶劑性，為其在電子工業中的加工與應用提供了保障。

圖3 | 交聯PVDF均聚物的機械性能。 （A，B）不同交聯密度下純PVDF與交聯PVDF薄膜的應力-應變曲線（A），以及對應的模量與斷裂伸長率（B）。（C）交聯密度為3.71%的PVDF在不同應變下的循環應力-應變曲線（因夾具滑移，首個循環已省略）。

鐵電性能表征證實，交聯后的PVDF均聚物保持了優異的鐵電性。其介電常數相較于純PVDF顯著提高，這得益于極性PEG鏈段的引入增強了界面極化。電滯回線測試顯示，在400 MV/m的電場下，交聯PVDF的剩余極化強度和最大極化強度均明顯高于純樣品。更引人注目的是，在高達110°C的溫度下，材料仍表現出優異的鐵電響應，剩余極化強度達7.00 μC/cm2。壓電力顯微鏡觀察到了清晰可逆的極化翻轉現象，并測得了14.91 pm/V的壓電系數，進一步證實了其鐵電性與壓電活性。

圖4 | 交聯PVDF均聚物的鐵電性能。 （A）純PVDF與交聯PVDF均聚物在1 kHz下的介電常數-溫度關系；（B，C）不同電場下1 kHz測得的P-E回線（B），以及純PVDF與交聯PVDF的對比（C）；（D）交聯PVDF在1 kHz、不同溫度下的P-E回線；（E-H）交聯PVDF的PFM振幅（E）與相位（F）分布圖、壓電系數d33（G），以及相應的相位-電壓遲滯回線與振幅-電壓蝶形回線（H）。

為考察材料在實際變形下的性能，研究人員測試了交聯PVDF厚膜在不同拉伸應變下的微觀鐵電響應。結果表明，從0%至70%的應變范圍內，材料均能保持穩定的鐵電行為，呈現出典型的方形相位-電壓遲滯回線與蝶形振幅-電壓回線。隨著應變增大，壓電響應的飽和電壓下降并逐漸趨于穩定，說明拉伸促進了晶區的取向排列，降低了鏈纏結與疇釘扎效應。此外，采用全彈性電容器件（液態金屬電極）進行的宏觀測試同樣證實，在高達40%的應變下，薄膜的電極化強度與剩余極化保持穩定，而矯頑場則隨應變增加有所降低，與微觀PFM結果一致。

圖5 | 交聯PVDF厚膜在應變下的PFM表征。 （A–H）不同應變下交聯PVDF的相位-電壓遲滯回線與振幅-電壓蝶形回線：0%（A）、10%（B）、20%（C）、30%（D）、40%（E）、50%（F）、60%（G）和70%（H）。（I）從相位-電壓遲滯回線提取的相位差以及從振幅-電壓蝶形回線獲得的矯頑電壓隨外加應變的變化關系。

圖6 | 彈性PVDF薄膜在應變下的鐵電響應。 （A）彈性器件在1 kHz下、從0%拉伸至40%過程中的P-E回線。（B）不同應變下的剩余極化（Pr）、最大極化（Pmax）和矯頑場（Ec）。

該研究成功攻克了PVDF均聚物難以兼具高彈性與高性能的長期難題，通過溫和、低成本的交聯工藝，制備出具有優異彈性恢復能力、高熱穩定性和強鐵電響應的新型材料。這一突破不僅大幅降低了彈性鐵電材料的成本，還顯著擴展了其工作溫度范圍與機械可靠性，為下一代可穿戴電子設備、柔性傳感器及人工肌肉等應用領域提供了極具前景的材料解決方案，推動了高性能彈性鐵電器件向規模化、實用化方向發展。