上海交大钱小石教授在Science发表高分子铁电材料及应用综述论文

时间: 2024-07-11 04:38:04 |   作者: 新闻中心

　　北京时间5月12日，上海交通大学机械与动力工程学院前瞻交叉研究中心钱小石教授在Science上发表题为“Fluoropolymer Ferroelectrics: Multifunctional Platform for Polar-Structured Energy Conversion”的论文，对偏氟乙烯（PVDF）基铁电高分子材料在机电耦合、零碳制冷、储能与信息存储等领域的应用进行了系统的分析。钱小石教授为本文第一作者，上海交通大学为论文第一完成单位。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。

　　高分子铁电材料具备可塑性高、易于制造成复杂形状、机械韧性和自发极化等独特的特点，可以在一定程度上完成电、机械和热能之间的高效交叉耦合，产生一系列如储能、压电/电致伸缩效应、电卡/热释电效应、铁电存储等效应。这些以含氟高分子为主体的聚合物材料可以轻松加工成轻薄、坚韧和柔韧的薄膜和纤维，适用于便携式、小型化和可穿戴的电活性装置。

　　偏氟乙烯基聚合物50余年来的发展及其电活性在机电耦合、电热耦合与能量/信息存储中的应用

　　近两年，铁电高分子材料及其衍生物在机电耦合效率、电致伸缩应变、电卡制冷/热泵能力和循环常规使用的寿命等方面取得了显著进步，并极大地促进了该柔性自极化材料的实际应用和发展。近年来的一系列应用突破证明了利用缺陷调控极化过程能够精确调控高分子在不同能量转化过程中的效率。在单体选择、高分子结晶和极化微区形态结构层面上，涌现了一系列突破性的工作。最新研究表明，氟化烷基（FA）修饰的弛豫铁电四聚物的压电和机电耦合系数首次超过了目前世界上使用最广泛的压电陶瓷——PZT压电陶瓷。在50 MV/m的低电场下，该铁电材料达到了4%的电致应变。这一进展有望推动高效感知和触觉设备，以及低能耗的电活性驱动器等领域的快速发展。稍早于以上报道，由类似方法设计的电卡聚合物材料在超低电场下表现出超过7.5K的大电卡制冷效应且不易产生疲劳，首次实现了超过百万次的制冷循环。这些电卡聚合物能够给大家提供定制化、零GWP、节能的制冷/热泵解决方案，从而在目前商业热泵、空调和冰箱等产业的碳减排领域贡献力量。

　　铁电聚合物的研究进展，从最初的单聚物到现在的四聚物，催生了大批利用其高效机电、电热以及电介质能量转化效应的应用，有利于现代社会的可持续发展，也为铁电物理学、功能高分子等领域研究提供新方向和机遇。当前研究之后发现，对于不同的能量转化过程，所需的极性单元的设计与控制策略不完全一样，因此就需要针对明确的应用场景设计特异性的铁电高分子。未来的研究要进一步探索铁电聚合物分子结构和极化响应的关系，设计跨尺度缺陷来修饰/操纵极性结构，降低场致相变势垒，以更高效的软物质能量转化促进绿色、智能和元宇宙的生活方式。目前高分子行业的成熟制程（多层电容、纤维织物等）可以为快速生产、迭代未来的先进功能高分子薄膜器件带来便利，有望在马上就要来临的元宇宙的触觉感知、机器人应用中发挥关键作用，更可作为平板或可穿戴空调的固态制冷工质，提供目前市场上别的产品没办法提供的可穿戴、轻量化、低能耗的主动冷热调控能力。

　　该研究工作获得国家自然科学基金委，上海市自然科学基金“基础研究领域”、“原创探索”项目等资助。钱小石教授长期从事功能材料与智能系统研究，参与了多款活性高分子、陶瓷功能材料设计与制备工艺研发，在磁电传感、机电耦合、介电储能与电卡制冷等领域开展面向工程应用的基础研究工作；研制了世界首台利用塑料制冷的芯片制冷系统，首次实现了无人工干预、无电子电路控制的软物质自主向光性、趋光性驱动。近两年，该团队从工程应用方面出发，利用高分子化学方法突破了电卡、压电高分子与器件应用相关的物性瓶颈，加强完善了极化高熵材料中电致相变的电介质物理图像，设计并制造了系列电卡制冷系统样机。相关基础研究工作发表于Nature (2篇)、Science (2篇)等高水平学术刊物，相关应用研究成果所涉及的多项专利已获国家专利授权，并在国内相关企业产业化，填补了国内空白。