【儀表網 研發快訊】鐵電體作為一類多功能材料，兼具壓電性、高介電常數、自發極化以及熱釋電等特性，廣泛應用于電驅動、信息存儲和超聲換能等領域。近年來，可穿戴柔性電子器件的迅猛發展，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發展的關鍵環節之一。
中國科學院寧波材料技術與工程研究所前沿交叉科學研究中心胡本林研究員等長期致力于彈性鐵電體的研發。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)，通過精準調控交聯密度的“微交聯”策略，在實現彈性化的同時，有效減少了結構調整對結晶性能的不利影響，開創性地在同一材料中同時實現了高彈性與鐵電性。后續，針對彈性鐵電聚合物聚偏二氟乙烯-三氟乙烯P(VDF-TrFE)存在交聯溫度過高和居里轉變溫度偏低等問題，研究人員通過引入高活性卡賓中間體，并合成高VDF含量、帶雙鍵結構的鐵電聚合物，有效協同提升了交聯活性和居里轉變溫度，成功制備了高居里溫度(85 ℃)和低交聯溫度(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，將會影響后續的實際應用。
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變溫度，研究人員結合分子結構設計與工藝流程創新，得到了一種高性能彈性鐵電材料。在分子設計方面，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劑用量，研究人員發展了“兩步法熱加工工藝”，首先通過低溫交聯(LT，100 ℃)處理，在P(VDF-TrFE-DB)居里轉變溫度以下利用卡賓中間體與雙鍵反應，在材料非晶區構建交聯網絡，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定性。最終得到的彈性鐵電聚合物，在交聯密度1.5%條件下表現出較佳的綜合性能：斷裂伸長率接近400%以上，在50%應變下彈性回復率超過80%，居里轉變溫度達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。
相關成果以“High-performance elastic ferroelectrics via low temperature carbene crosslinking and high temperature annealing”為題發表于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計劃(2024YFB3814103)、寧波市自然科學基金(2024J107)、國家自然科學基金(22475226)、浙江省自然科學基金(LR24E030003、LQN25B040003)和湖南省科技創新計劃(2022RC3069)等項目的資助。
圖1 高性能彈性鐵電聚合物設計策略示意圖
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