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Nano Res.[单元]│西南交通大学杨维清/靳龙:多级取向结构增强MXene/PVDF压电性

本篇文章版权为杨维清课题组AY所有,未经授权禁止转载。

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背景介绍


随着柔性电子器件的发展,压电材料对制备先进的传感器越来越重要。聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物具有柔性、生物相容性和重量轻的特点,在人机交互、软机器人和健康监测等领域有着广泛的应用前景。然而,为了更加广泛的应用,PVDF的压电性需要进一步增强。作为传统的方法,PVDF与高性能的压电陶瓷混合,制成的复合材料存在机械性能不匹配和界面问题。在PVDF结晶相中,β相由于其全反式(TTTT)构象而成为最具电活性的极性相。因此,高β相含量对于提高压电性是必不可少的。化学改性是获得具有高β相含量和偶极取向的PVDF的重要方法。例如,引入三氟乙烯等单元可以有效提高分子链的电活性。然而,化学改性后的PVDF结晶度可能会降低,并伴有许多缺陷。与化学改性相比,物理方法更方便,更适合大规模应用。近年来,填料辅助手段越来越受到关注。具体而言,PVDF中填料的静电和界面极化效应可以引起β相含量的增加。如今,二维纳米填料的界面极化和界面锁定效应已被证实可有效增加β相的含量和增强偶极取向度。然而,填料的随机分布导致结晶区和无机-有机界面的无序,损害了偶极取向和自发极化。因此,亟待开发一种策略,通过丰富的偶极数和填料的定向分布来增强PVDF的压电性。


成果简介


近期,西南交通大学杨维清教授团队发表了题为“Tertiary orientation structures enhance the piezoelectricity of MXene/PVDF nanocomposite”的研究成果。在这项工作中,报道了通过温度-压力双场构筑MXene(Ti3C2Tx)/PVDF纳米复合材料中的三级取向结构来增强其压电性。从根本上讲,由于MXene的高比表面积和丰富的极性表面官能团,使得MXene和PVDF分子链之间产生了静电相互作用和范德华力,这有利于增加β相的比例和材料结晶度。在双场提供的极端成型环境下,PVDF中的分子链被定向形成大量的β相和棒状纳米晶。β相的棒状纳米晶体构成了层状取向的晶体结构,有利于增强了面外方向的极化。此外,在双场调节后,MXene在PVDF中平行排列,提高了渗流阈值,增强了MXene/PVDF基器件的电学输出。最后,展示了所制造的柔性传感器件用于监测不同的人体运动动作信号。


图文导读


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图1(a) 双场调控制备具有三级取向结构的纳米复合薄膜。(b) MXene/PVDF基压电器件示意图。(c) MXene在PVDF中的SEM图像(比例尺为3μm)。(d) (c)的局部放大图(比例尺为500nm)。(e) 制备银电极后MXene/PVDF纳米复合膜的图像。(f) 复合材料柔性展示。(g) MXene、PVDF和MXene/PVDF的XRD结果。(h) MXene在硅衬底上的XPS光谱和与F1s相关的结合能。


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图2(a) MXene含量为0%-8%的MXene/PVDF复合膜的FTIR光谱。(b) 不同MXene含量的复合膜的结晶度。(c) MXene和聚合物链之间的作用力示意图。(d) 在165℃至195℃的温度梯度下制备的复合薄膜的FTIR光谱。(e) 双场调节的聚合物链构象转变示意图。(f) 在165℃至195℃的温度梯度下制备的复合膜中β相的比例。(g) 双电场下制备的复合膜中β相的比例。(h) 室温下不同电场作用下复合薄膜的电滞回线。(i) 室温下不同电场作用下复合膜的最大极化和剩余极化。


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图3 MXene/PVDF复合膜的(a) 2D-SAXS图案和(b)1D-SAXS 曲线测试结果。(c) 刻蚀非晶区后暴露的结晶区域的SEM图像(比例尺为200nm)。(d)取向晶区增强z轴极化的示意图。(e) MXene/PVDF纳米复合膜的横截面(比例尺为10μm)。(f) MXene含量增加的复合膜在1Hz下的介电常数。(g) 取向排列MXene提高渗滤阈值示意图。(h) 通过提高MXene含量的复合膜制备的器件的电流输出。


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图4(a) 器件在力作用下的输出电流及其线性度和灵敏度。(b) 器件在不同频率下的充电曲线。(c) 器件的输出功率和输出电压在不同负载下变化。(d) 器件在28.74 kPa下的响应时间。(e)、(g)不同运动动作的电压信号。(f) 器件运动动作监测示意图。(h) 器件的耐久性测试。


作者简介


西南交通大学硕士研究生敖勇为本文第一作者,西南交通大学杨维清教授和靳龙助理教授为本文的共同通讯作者。


靳龙,助理教授,西南交通大学材料科学与工程学院,主要从事摩擦电/压电材料与功能器件。近年来,在ACS Nano、Nano Letters、Nano Energy等期刊发表SCI论文10余篇,被引次数>4000次(Google Scholar),含ESI高被引论文、ESI热点论文和封面论文。入选四川省天府青城计划,主持国家自然科学基金青年基金1项,博士后创新人才支持计划1项,四川省苗子工程1项。


杨维清,教授/博导,四川省第十二届和第十三届政协委员,四川省杰出青年,西南交通大学前沿科学研究院院长,主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。近年来,在Chem. Soc. Rev., Adv. Mater,ACS Nano,Nano Lett,Adv. Funct. Mater.,等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计200余篇,其中影响因子IF>10论文70余篇,ESI高被引论文20篇,引用1.2万余次, 多次入选Stanford-Elsevier全球全领域Top科学家。主持军委科技重点项目、国家自然基金、四川省杰出青年基金项目等多项省部级项目,担任科技部重大研发计划项目会评专家和国家科技奖评审专家。已授权专利25项,已转化20项,转化经费3000余万。所做的工作被美国知名网站美国国家自然基金委(NSF) 、Newscientist等近20家媒体专题报道,受到法国路透社,中国科学网、中国储能网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。


文章信息


Ao Y, Yang T, Tian G, et al. Tertiary orientation structures enhance the piezoelectricity of MXene/PVDF nanocomposite. Nano Research, 2024, https://doi.org/10.1007/s12274-023-6418-7.



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