《ACS Materials Letter》柔性透明高介电性能高分子材料

近日,美国加州大学洛杉矶分校(UCLA)贺曦敏教授团队与四川大学高分子科学与工程学院蔡绪福教授团队协作,在《ACS Materials Letter》在线发表了题为“Flexible and TransparentHigh-dielectric-constant Polymers films Based on MolecularFerroelectric-modified Polyvinyl Alcohol”的研究。该研究利用具有自发极化能力的小分子铁电材料聚乙烯醇材料原位结晶成膜的方式得到具有高介电常数的透明柔性聚合物薄膜

为满足高储能密度的柔性电存储器件的发展需求,具备优良力学性能和加工性能的聚合物材料多被选为复合材料的基材。但是聚合物材料的介电常数一般比较小,为了提高聚合物的介电常数现在已发表的许多工作都是通过添加具有高介电常数的铁电陶瓷,或者具有电导性的半导体、金属材料、和碳纳米材料。其中铁电陶瓷因其在电场中有自发电子极化而具备较高的介电常数,例如钛酸钡(BTO)和锆钛酸铅(PZT)。但是这些铁电陶瓷也有自身的不足,例如密度大、重污染、生产耗能高、不易生产、刚性太大等不足。与此同时,用铁电陶瓷提高材料的介电性一般需要比较高的添加量,而这也会导致应力集中、缺陷增多,从而降低了聚合物复合材料的透明性和柔性。我们希望通过原位添加可以溶解于水和有机溶剂中、具有高居里温度点、自发极化偶极子的分子铁电晶体材料,在提高聚合物基材的介电常数和储能密度的同时也保持材料的透明性和柔性。另外为了满足分子铁电晶体的分散需求和环保性能,本文选用了具有水溶解性和优良的成膜性的聚乙烯醇作为聚合物基体材料。两者通过溶液成膜的方式得到低添加量小分子铁电晶体均匀分散的复合体系,该体系的材料具有高介电常数的同时还维持优良的力学和光学性能。低添加量(4.1-9wt.%)TEDA.C的聚乙烯醇复合体系的介电常数和储能密度达到纯体系的10-100倍,剩余极化强度增加了3200倍,透明度维持在85%以上,储存模量增加了116%,断裂伸长率可达到274%。本文为小分子铁电盐与聚合物材料结合提供了研究思路,有潜力应用于下一代多功能柔性储能器件。

《ACS Materials Letter》柔性透明高介电性能高分子材料
图1
(A)TEDA.C@1788PVA薄膜的制备过程
(B)交变电场中复合材料氢键偶极-电荷积累模型
(C)小分子铁电盐的加入使得复合薄膜材料氢键红移
(D)1788PVA的二维红外谱图
(E)10T@1788PVA的二维红外谱图
(F) TEDA.C浓度逐渐增加的复合薄膜的偏光显微镜图。
《ACS Materials Letter》柔性透明高介电性能高分子材料
图2
(A)在不同电场强度和交变频率的交变电场下1788PVA薄膜的电滞回线
(B) 在不同电场强度和交变频率的交变电场下10T@1788PVA薄膜的电滞回线
(C)PVA复合材料在室温交变电场中Weibull分布曲线
(D)室温交变电场条件下TEDA.C@PVA复合膜最大储能密度随频率变化图
(E1) 1788PVA的AFM高度图
(E2) 1788PVA的AFM相图
(E3) 10T@1788PVA的AFM高度图
(E4) 10T@1788PVA的AFM相图二维红外谱图。

 

该研究成果在线发表于《ACS Materials Letter 》(DOI: 10.1021/acsmaterialslett.0c00086)。论文第一作者为四川大学高分子科学与工程学院博士生杨云云加州大学洛杉矶分校材料科学与工程学院博士生赵昱森,通讯作者为四川大学高分子科学与工程学院蔡绪福教授和加州大学洛杉矶分校材料科学与工程系贺曦敏教授

团队简介:UCLA贺曦敏团队致力于研发仿生多功能凝胶及柔性高分子材料,推动其在环境、能源、机器人等领域的应用。

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