铁电材料首次制成“橡皮筋”

访问次数:90  发表时间:2023-08-07

拉伸两倍仍保持特性,有望让传感器造型多变

 

常见于存储器、压电元件等领域的铁电材料,如果获得橡皮筋一样的弹性,有望让传感器造型多变、手机更易弯曲折叠。

8月4日,国际学术期刊《科学》刊登了中国科学院宁波材料技术与工程研究所柔性磁电功能材料与器件团队的科研成果——在全球率先研发出兼具弹性回复与铁电性的新型高分子铁电材料,有效解决传统铁电材料难以在大形变下保持稳定性能的难题,填补弹性铁电材料领域的空白。

铁电材料受到拉伸容易失灵

“铁电材料是一种神奇的绝缘性功能材料,表面自带电荷,没有外加电场时,这些电荷处于无序状态。”该论文通讯作者、中国科学院宁波材料所胡本林研究员介绍,一旦有电场作用在铁电材料上,这些电荷就会重新排列,而且排列的方式会随着电场的变化而变化。

此外,铁电材料还有记忆能力,即便电场不再作用,排列后的电荷也会保持原来的状态而不发生改变。这就使得铁电材料具备高介电常数、压电性、热电性、电制冷性等特性,可以用在计算机存储器、高精度电机、超敏感传感器和声呐设备等电子产品中,也是手机、平板电脑等电子设备中必不可少的材料之一。

近年来,有关柔性可穿戴器件的研究热度不减,这类器件被认为在便携式移动电子设备和人体运动检测等领域有广阔的应用前景。作为制造柔性可穿戴器件的重要材料之一,铁电材料若能实现弹性化,对这一产业发展可起到推波助澜的作用。

“但是研究制备弹性化铁电材料却举步维艰。”胡本林解释说,传统的铁电材料主要为线性结构,排列规整的部分形成结晶区提供铁电性,而剩余的分子链相互缠绕在一起。由于线性的分子链间没有共价连接,一旦施加外力,这种相互缠绕就会解开,进而导致结晶区被破坏,影响其铁电性。

该论文第一作者、中国科学技术大学纳米学院和中国科学院宁波材料所的联合培养硕士生高亮补充道,晶体本身几乎不具备弹性,拉伸率一般低于5%且没有回弹能力,因此铁电材料很难兼顾铁电性和弹性。

“微交联法”编织“渔网”获得弹性

甘蔗就不能两头甜?这项研究中,科研人员通过对材料结构的精准设计和控制,制备出了在高频率大形变下仍然具有良好铁电响应的弹性材料,把它拉伸到原来长度的两倍后,不但能保持原有的铁电性,而且还能在外力撤除后迅速恢复原状,实现了铁电材料铁电性与弹性的平衡。

制备弹性铁电材料的方法被团队称之为“微交联法”——用微量的柔软链状聚合物,让铁电晶体周边非晶的缠绕部分交联起来,相互交织形成具有弹性的渔网状结构。类似于通过化学交联将晶体和缠绕部分置于“渔网”中,制成具有良好的弹性回复能力的铁电“橡皮筋”。

胡本林介绍,团队尝试了几十种材料才找到合适的链状聚合物。这种渔网状结构松散地将铁电晶体连接在一起,在外力作用时,可以产生可逆的形变来吸收外力,避免外力对结晶部分的破坏,进而使材料在一定拉伸范围内依旧能够保持稳定的铁电性;在外力撤销时,这种弹性的渔网状结构能够回复至初始状态。

“此外,精确控制链状聚合物的用量,可以确保铁电晶体能够均匀地分布在交联网络中,使材料在交联后也能保持较好的铁电响应。”胡本林说,这种弹性铁电材料可以承受数千次的反复拉伸而铁电性依然保持稳定。它在受力后能够恢复原状,避免永久变形,大大提高了可靠性和使用寿命,拓展了使用范围。

《科学》期刊审稿人评价道,在铁电材料被发现后的百年历史中,和铁电陶瓷的不超过0.2%的拉伸应变到聚合物铁电材料小于2%的弹性回复相比,这是一个突破性工作,开辟了全新的“弹性铁电”学科方向。

◎洪恒飞 高晓静 本报记者 江 耘

 

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