《ACS Materials Letter》柔性透明高介電性能高分子材料

近日,美國加州大學洛杉磯分校(UCLA)賀曦敏教授團隊與四川大學高分子科學與工程學院蔡緒福教授團隊協作,在《ACS Materials Letter》在線發表瞭題為“Flexible and TransparentHigh-dielectric-constant Polymers films Based on MolecularFerroelectric-modified Polyvinyl Alcohol”的研究。該研究利用具有自發極化能力的小分子鐵電材料聚乙烯醇材料原位結晶成膜的方式得到具有高介電常數的透明柔性聚合物薄膜

為滿足高儲能密度的柔性電存儲器件的發展需求,具備優良力學性能和加工性能的聚合物材料多被選為復合材料的基材。但是聚合物材料的介電常數一般比較小,為瞭提高聚合物的介電常數現在已發表的許多工作都是通過添加具有高介電常數的鐵電陶瓷,或者具有電導性的半導體、金屬材料、和碳納米材料。其中鐵電陶瓷因其在電場中有自發電子極化而具備較高的介電常數,例如鈦酸鋇(BTO)和鋯鈦酸鉛(PZT)。但是這些鐵電陶瓷也有自身的不足,例如密度大、重污染、生產耗能高、不易生產、剛性太大等不足。與此同時,用鐵電陶瓷提高材料的介電性一般需要比較高的添加量,而這也會導致應力集中、缺陷增多,從而降低瞭聚合物復合材料的透明性和柔性。我們希望通過原位添加可以溶解於水和有機溶劑中、具有高居裡溫度點、自發極化偶極子的分子鐵電晶體材料,在提高聚合物基材的介電常數和儲能密度的同時也保持材料的透明性和柔性。另外為瞭滿足分子鐵電晶體的分散需求和環保性能,本文選用瞭具有水溶解性和優良的成膜性的聚乙烯醇作為聚合物基體材料。兩者通過溶液成膜的方式得到低添加量小分子鐵電晶體均勻分散的復合體系,該體系的材料具有高介電常數的同時還維持優良的力學和光學性能。低添加量(4.1-9wt.%)TEDA.C的聚乙烯醇復合體系的介電常數和儲能密度達到純體系的10-100倍,剩餘極化強度增加瞭3200倍,透明度維持在85%以上,儲存模量增加瞭116%,斷裂伸長率可達到274%。本文為小分子鐵電鹽與聚合物材料結合提供瞭研究思路,有潛力應用於下一代多功能柔性儲能器件。

《ACS Materials Letter》柔性透明高介電性能高分子材料
圖1

(A)TEDA.C@1788PVA薄膜的制備過程

(B)交變電場中復合材料氫鍵偶極-電荷積累模型

(C)小分子鐵電鹽的加入使得復合薄膜材料氫鍵紅移

(D)1788PVA的二維紅外譜圖

(E)10T@1788PVA的二維紅外譜圖

(F) TEDA.C濃度逐漸增加的復合薄膜的偏光顯微鏡圖。

《ACS Materials Letter》柔性透明高介電性能高分子材料
圖2

(A)在不同電場強度和交變頻率的交變電場下1788PVA薄膜的電滯回線

(B) 在不同電場強度和交變頻率的交變電場下10T@1788PVA薄膜的電滯回線

(C)PVA復合材料在室溫交變電場中Weibull分佈曲線

(D)室溫交變電場條件下TEDA.C@PVA復合膜最大儲能密度隨頻率變化圖

(E1) 1788PVA的AFM高度圖

(E2) 1788PVA的AFM相圖

(E3) 10T@1788PVA的AFM高度圖

(E4) 10T@1788PVA的AFM相圖二維紅外譜圖。

該研究成果在線發表於《ACS Materials Letter 》(DOI: 10.1021/acsmaterialslett.0c00086)。論文第一作者為四川大學高分子科學與工程學院博士生楊雲雲加州大學洛杉磯分校材料科學與工程學院博士生趙昱森,通訊作者為四川大學高分子科學與工程學院蔡緒福教授和加州大學洛杉磯分校材料科學與工程系賀曦敏教授

團隊簡介:UCLA賀曦敏團隊致力於研發仿生多功能凝膠及柔性高分子材料,推動其在環境、能源、機器人等領域的應用。

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