《ACS Materials Letter》柔性透明高介電效能高分子材料
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》
線上發表了題為“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
小分子鐵電材料與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儲存器件的發展需求，具備優良力學效能和加工效能的聚合物材料多被選為複合材料的基材。但是聚合物材料的介電常數一般比較小，為了提高聚合物的介電常數現在已發表的許多工作都是透過新增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、和碳奈米材料。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、重汙染、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新增量，而這也會導致應力集中、缺陷增多，從而降低了聚合物複合材料的透明性和柔性。我們希望透過原位新增可以溶解於水和有機溶劑中、具有高居里溫度點、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。另外為了滿足分子鐵電晶體的分散需求和環保效能，本文選用了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。兩者透過溶液成膜的方式得到低新增量小分子鐵電晶體均勻分散的複合體系，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效能。
低新增量（4.1-9wt.%）TEDA.C的聚乙烯醇複合體系的介電常數和儲能密度達到純體系的10-100倍，剩餘極化強度增加了3200倍，透明度維持在85%以上，儲存模量增加了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了研究思路，有潛力應用於下一代多功能柔性儲能器件。
圖1 （A）TEDA。C@1788PVA薄膜的製備過程 （B）交變電場中複合材料氫鍵偶極-電荷積累模型 （C）小分子鐵電鹽的加入使得複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濃度逐漸增加的複合薄膜的偏光顯微鏡圖。
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複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複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。
該研究成果線上發表於
《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
博士生楊云云
和
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。近期成果包括：
“人工向日葵“全形度向光，助力能量捕獲
https：//
m。weibo。cn/status/If7h2
rfUX？from=singlemessage&jumpfrom=weibocomArtificial
Phototropism for OmnidirectionalTracking and Harvesting of Light， Nature Nanotechnology 2019， 14， 1048–1055
光致振盪水凝膠及其游泳機器人
Soft PhototacticSwimmer Based on Self-sustained Hydrogel Oscillator， Science Robotics 2019， 4， eaax7112
水凝膠化學/生物感測器:
Bioinspired Hydrogel Interferometerfor Adaptive Coloration and Chemical Sensing，Advanced Materials 2018， 30， 46， 1804916Hydrogel Interferometry for Ultrasensitiveand Highly Selective Chemical Detection。Advanced Materials 2018， 30， 21， 1800468
“水解密”結構色材料| 結構色主動關停和可重複開啟
Hydrocipher： Bioinspired Dynamic Structural Color-based CryptographicSurfaceAdvanced Optical Materials，2019， 201901259
四維列印解密生物生長中的形態演化
Visualizing Morphogenesisthrough Instability Formation in 4-D Printing， ACSApplied Materials & Interfaces 2019 DOI： 10。1021/acsami。9b19730
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