北京時(shí)間5月12日，上海交通大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院前瞻交叉研究中心錢小石教授在Science上發(fā)表題為“Fluoropolymer Ferroelectrics: Multifunctional Platform for Polar-Structured Energy Conversion”的論文，對(duì)偏氟乙烯（PVDF）基鐵電高分子材料在機(jī)電耦合、零碳制冷、儲(chǔ)能與信息存儲(chǔ)等領(lǐng)域的應(yīng)用進(jìn)行了系統(tǒng)的分析。錢小石教授為本文第一作者，上海交通大學(xué)為論文第一完成單位。這是Science自1983年發(fā)表首篇鐵電高分子綜述后，40年后再次刊登鐵電高分子領(lǐng)域的綜述論文。
高分子鐵電材料具有可塑性高、易于制造成復(fù)雜形狀、機(jī)械韌性和自發(fā)極化等獨(dú)特的特點(diǎn)，能夠?qū)崿F(xiàn)電、機(jī)械和熱能之間的高效交叉耦合，產(chǎn)生一系列如儲(chǔ)能、壓電/電致伸縮效應(yīng)、電卡/熱釋電效應(yīng)、鐵電存儲(chǔ)等效應(yīng)。這些以含氟高分子為主體的聚合物材料可以輕松加工成輕薄、堅(jiān)韌和柔韌的薄膜和纖維，適用于便攜式、小型化和可穿戴的電活性裝置。
偏氟乙烯基聚合物50余年來(lái)的發(fā)展及其電活性在機(jī)電耦合、電熱耦合與能量/信息存儲(chǔ)中的應(yīng)用
近兩年，鐵電高分子材料及其衍生物在機(jī)電耦合效率、電致伸縮應(yīng)變、電卡制冷/熱泵能力和循環(huán)使用壽命等方面取得了顯著進(jìn)步，并極大地促進(jìn)了該柔性自極化材料的實(shí)際應(yīng)用和發(fā)展。近年來(lái)的一系列應(yīng)用突破證明了利用缺陷調(diào)控極化過(guò)程能夠精確調(diào)控高分子在不同能量轉(zhuǎn)化過(guò)程中的效率。在單體選擇、高分子結(jié)晶和極化微區(qū)形態(tài)結(jié)構(gòu)層面上，涌現(xiàn)了一系列突破性的工作。最新研究表明，氟化烷基（FA）修飾的弛豫鐵電四聚物的壓電和機(jī)電耦合系數(shù)首次超過(guò)了目前世界上使用最廣泛的壓電陶瓷——PZT壓電陶瓷。在50 MV/m的低電場(chǎng)下，該鐵電材料達(dá)到了4%的電致應(yīng)變。這一進(jìn)展有望推動(dòng)高效感知和觸覺(jué)設(shè)備，以及低能耗的電活性驅(qū)動(dòng)器等領(lǐng)域的快速發(fā)展。稍早于以上報(bào)道，由類似方法設(shè)計(jì)的電卡聚合物材料在超低電場(chǎng)下表現(xiàn)出超過(guò)7.5K的大電卡制冷效應(yīng)且不易產(chǎn)生疲勞，首次實(shí)現(xiàn)了超過(guò)百萬(wàn)次的制冷循環(huán)。這些電卡聚合物可以提供定制化、零GWP、節(jié)能的制冷/熱泵解決方案，從而在目前商業(yè)熱泵、空調(diào)和冰箱等產(chǎn)業(yè)的碳減排領(lǐng)域貢獻(xiàn)力量。
鐵電聚合物的研究進(jìn)展，從最初的單聚物到現(xiàn)在的四聚物，催生了大批利用其高效機(jī)電、電熱以及電介質(zhì)能量轉(zhuǎn)化效應(yīng)的應(yīng)用，有利于現(xiàn)代社會(huì)的可持續(xù)發(fā)展，也為鐵電物理學(xué)、功能高分子等領(lǐng)域研究提供新方向和機(jī)遇。當(dāng)前研究發(fā)現(xiàn)，對(duì)于不同的能量轉(zhuǎn)化過(guò)程，所需的極性單元的設(shè)計(jì)與控制策略不盡相同，因此需要針對(duì)明確的應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)特異性的鐵電高分子。未來(lái)的研究需要進(jìn)一步探索鐵電聚合物分子結(jié)構(gòu)和極化響應(yīng)的關(guān)系，設(shè)計(jì)跨尺度缺陷來(lái)修飾/操縱極性結(jié)構(gòu)，降低場(chǎng)致相變勢(shì)壘，以更高效的軟物質(zhì)能量轉(zhuǎn)化促進(jìn)綠色、智能和元宇宙的生活方式。目前高分子行業(yè)的成熟制程（多層電容、纖維織物等）可以為快速生產(chǎn)、迭代未來(lái)的先進(jìn)功能高分子薄膜器件帶來(lái)便利，有望在即將到來(lái)的元宇宙的觸覺(jué)感知、機(jī)器人應(yīng)用中發(fā)揮關(guān)鍵作用，更可作為平板或可穿戴空調(diào)的固態(tài)制冷工質(zhì)，提供目前市場(chǎng)上其他產(chǎn)品無(wú)法提供的可穿戴、輕量化、低能耗的主動(dòng)冷熱調(diào)控能力。
該研究工作獲得國(guó)家自然科學(xué)基金委，上海市自然科學(xué)基金“基礎(chǔ)研究領(lǐng)域”、“原創(chuàng)探索”項(xiàng)目等資助。錢小石教授長(zhǎng)期從事功能材料與智能系統(tǒng)研究，參與了多款活性高分子、陶瓷功能材料設(shè)計(jì)與制備工藝研發(fā)，在磁電傳感、機(jī)電耦合、介電儲(chǔ)能與電卡制冷等領(lǐng)域開展面向工程應(yīng)用的基礎(chǔ)研究工作；研制了世界首臺(tái)利用塑料制冷的芯片制冷系統(tǒng)，首次實(shí)現(xiàn)了無(wú)人工干預(yù)、無(wú)電子電路控制的軟物質(zhì)自主向光性、趨光性驅(qū)動(dòng)。近兩年，該團(tuán)隊(duì)從工程應(yīng)用角度出發(fā)，利用高分子化學(xué)方法突破了電卡、壓電高分子與器件應(yīng)用相關(guān)的物性瓶頸，進(jìn)一步完善了極化高熵材料中電致相變的電介質(zhì)物理圖像，設(shè)計(jì)并制造了系列電卡制冷系統(tǒng)樣機(jī)。相關(guān)基礎(chǔ)研究工作發(fā)表于Nature (2篇)、Science (2篇)等高水平學(xué)術(shù)刊物，相關(guān)應(yīng)用研究成果所涉及的多項(xiàng)專利已獲國(guó)家專利授權(quán)，并在國(guó)內(nèi)相關(guān)企業(yè)產(chǎn)業(yè)化，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白。
【論文鏈接】
https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0902
原文始發(fā)于微信公眾號(hào)（上海交通大學(xué)科研院）：錢小石教授在Science發(fā)表高分子鐵電材料及應(yīng)用綜述論文
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