鐵電體是一種具有自發(fā)極化且極化方向可隨外加電場改變的材料，在非易失性存儲、傳感、驅(qū)動以及能量轉(zhuǎn)換等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用。隨著可穿戴、可植入電子產(chǎn)品的發(fā)展，迫切需要將功能材料彈性化。

2023年，中國科學(xué)院寧波材料技術(shù)與工程研究所柔性磁電功能材料與器件團(tuán)隊提出了一種鐵電材料的本征彈性化方法（Science 2023, 381, 540），通過精準(zhǔn)調(diào)控交聯(lián)密度，在實現(xiàn)彈性化的同時，降低了結(jié)構(gòu)改變對材料結(jié)晶性能的影響，開創(chuàng)性地在同一材料中同時獲得了高彈性與鐵電性。后續(xù)，針對彈性鐵電體的交聯(lián)溫度過高、居里溫度較低以及彈性鐵電體類型單一等問題，團(tuán)隊進(jìn)行了深入系統(tǒng)的研究。

聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE)）半結(jié)晶聚合物是一類應(yīng)用較為廣泛的鐵電聚合物，具有化學(xué)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、可溶液加工以及可拉伸等性質(zhì)，是制備彈性鐵電體的較佳原料。該類材料的極化強(qiáng)度和居里溫度都隨著VDF比例的增加而提高；但退火后拉伸性隨著VDF比例的增加而顯著降低，這制約了高VDF含量的P(VDF-TrFE)在彈性鐵電聚合物中的應(yīng)用。因此，如何獲得同時兼具高彈性和高鐵電性的彈性鐵電聚合物是一個難點(diǎn)?；谠搯栴}，寧波材料所王林萍、胡本林和李潤偉等人通過設(shè)計合成了帶有雙吖丙啶端基的交聯(lián)劑，降低了交聯(lián)反應(yīng)的能壘，同時合成了高VDF含量且?guī)в须p鍵的鐵電聚合物P(VDF-TrFE-DB) 75/15/5 mol%，在提高VDF結(jié)晶性的同時維持了退火后聚合物的拉伸性能。將交聯(lián)劑和P(VDF-TrFE-DB)共混加熱交聯(lián)，成功制備了高居里溫度（85 ℃）和低交聯(lián)溫度（150 ℃）的彈性鐵電聚合物。交聯(lián)后的P(VDF-TrFE-DB)具有顯著的鐵電性能，并在50%應(yīng)變下保持了穩(wěn)定的鐵電響應(yīng)（圖1）。

除了通過熱交聯(lián)制備彈性鐵電體，團(tuán)隊也發(fā)展了室溫下光交聯(lián)制備弛豫性彈性鐵電體的方法。弛豫性鐵電體具有較高的機(jī)電耦合響應(yīng)，在驅(qū)動和能量存儲方面具有深遠(yuǎn)的發(fā)展?jié)摿?。李博文、胡本林和李潤偉等人以弛豫性鐵電聚合物聚偏氟乙烯-三氟氯乙烯P(VDF-CTFE)為研究對象，通過引入雙鍵，利用巰基-烯點(diǎn)擊反應(yīng)，在室溫下實現(xiàn)了弛豫鐵電材料的本征彈性化。交聯(lián)后的鐵電薄膜具有較好的力學(xué)回彈性，斷裂伸長率達(dá)260%，并且在50%應(yīng)變的疲勞測試中，該彈性弛豫鐵電薄膜在3000次應(yīng)變循環(huán)后仍能保持80%的應(yīng)變回復(fù)率，與商品化的氟橡膠P(VDF-HFP)相近。同時，通過分析介電溫譜（ε-T曲線）、極化-電場（P-E）回線和壓電力顯微鏡（PFM）測試，證實了彈性薄膜的弛豫鐵電性。最終，以該彈性弛豫性鐵電體薄膜為介質(zhì)層制備的全彈性鐵電器件在70%應(yīng)變下展現(xiàn)了穩(wěn)定的鐵電響應(yīng)性，證明了該彈性弛豫性鐵電體應(yīng)用于可穿戴設(shè)備的可行性（圖2）。這項研究為構(gòu)建本征彈性弛豫鐵電材料提供了一個簡便且高效的新思路。

相關(guān)研究成果分別發(fā)表在Journal of the American Chemical Society上（doi：10.1021/jacs.3c14310）和Angewandte Chemie International Edition（doi: 10.1002/anie.202400511）上。該研究得到了國家自然科學(xué)基金（51931011、52127803）、浙江省自然科學(xué)基金（LR24E030003）和浙江省“錢江人才計劃”（ZJ-QJRC-2020-32）等項目的支持。

圖1 通過卡賓交聯(lián)制備的高居里溫度的彈性鐵電聚合物及其拉伸應(yīng)變下的鐵電響應(yīng)

圖2 基于巰基-烯點(diǎn)擊化學(xué)反應(yīng)的彈性弛豫性鐵電聚合物在不同應(yīng)變下的P-E loop和極化強(qiáng)度

（中國科學(xué)院磁性材料與器件重點(diǎn)實驗室 王林萍、李博文）