PVDF基铁电聚合物的结晶行为与性能调控研究

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铁电材料的极化状态随温度和电场的变化发生改变,因此具有良好的热释电特性和电卡特性。相比无机铁电材料,有机铁电聚合物具有良好的柔性和抗击穿特性,在可穿戴电子器件领域有十分广阔的应用前景。然而聚合物的极化强度远低于无机材料,无法满足红外探测器、能量搜集器和电卡制冷器等对高性能铁电材料的需求。PVDF基铁电聚合物的极化特性与其结晶行为密切相关。应力可改变聚合物的结晶行为和分子链取向、影响其极化特性,是调控铁电聚合物电学性能的有效方法。因此本文系统地研究了应力对PVDF及其共聚物结晶行为和铁电性能的影响,开展了以下工作:首先,针对PVDF极化强度低的问题,采用旋涂的方法制备了PVDF膜,利用旋涂过程产生的剪切应力对PVDF的结晶行为进行调控。旋涂PVDF铁电相含量增加,极化强度达到28.2μC cm-2;热释电系数达到0.92×10-8 C cm-2 K-1。结果表明,通过施加应力可以对聚合物的铁电性进行优化调控。基于剪切应力的研究结果,进一步研究了纳米限制应力对聚合物铁电性的影响,通过模板法制备出了P(VDF-TrFE-CFE)纳米线阵列。纳米限制应力降低了铁电聚合物的晶粒尺寸、使其结晶度提高至51.7%,并诱导了晶体取向,使聚合物的极化强度达到5.4μC cm-2。最后,基于应力诱导的结晶行为,对纳米线阵列的电卡特性进行了研究。结果表明,纳米限制应力提升了P(VDF-TrFE-CFE)的电卡效应:温变为0.7 oC,熵变为6.0 kJ m-3 K-1。同时,聚合物纳米线阵列-AAO混合膜中的AAO孔壁可以促进热传导。二者的综合作用有利于聚合物在电卡制冷领域的应用。
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