J. Shen, Y. Zeng, Q. Li, J. Zhou, W. Chen. Convenient folding-hot-pressing fabrication and enhanced piezoelectric properties of high β-phase-content poly(vinylidene fluoride) films. Interdiscip. Mater. 2024; 3(5): 715-725. doi: 10.1002/idm2.12175
摘 要
压电传感器因其低功耗、高灵敏度和自供电能力而备受关注。PVDF压电效应主要来自于高极性β相。将PVDF薄膜α相转变为所需β相的常用技术涉及高电场诱导和单轴拉伸。这些方法存在电击穿、缺陷和应力集中等缺点，会导致材料损坏或断裂。垂直载荷有利于膜状聚合物更均匀地分布并增加膜密度。基于此提出了折叠热压法来制备PVDF薄膜，获得了具有高β相含量和出色压电性能的PVDF薄膜。
本文采用折叠热压的方式制备了PVDF薄膜。折叠热压后，分子链在同一平面内排列，连续压缩和高应变使PVDF链变直，使相从α相转变为β相。晶体结构的表征证明了制备的PVDF薄膜很好地实现了α相往β相的转变，在进行折叠热压三次处理后β相含量可达到97.5%，并且具有高的取向度。材料的介电性能也得到了提高，相对介电常数达到25，压电常数d33可达到20 pC/N。从热刺激放电图谱中可以看出该薄膜具有良好的电荷储存能力。在介电、压电性能得到提高的同时，将该薄膜制备成柔性压力传感器进一步测试了该PVDF薄膜的电输出性能，在20 N载荷下电压信号具有0.6 V，并进一步证明该薄膜的电输出性能来自于压电效应。将其试验于可穿戴的试验时，结果表明传感器具有高灵敏度和可靠性。
图1 制备的PVDF薄膜结构表征：（A）XRD图谱，（B）FTIR光谱，（C）PVDF薄膜α相和β相含量，（D）2D-WAXD衍射环及其方位角曲线（E）。
图2 薄膜的性能：（A）介电常数和介电损耗谱，（B）压电常数d33，（C）热刺激放电电流，（D）PVDF薄膜中增强极性的示意图，（E）应力-应变曲线，（F）杨氏模量。
图3（A）传感器的示意图和实际图像。（B）输出电压信号测试的原理图。（C）不同样品在20 N负载下的输出电压。（D）Pf-0样品和（E）Pf-3样品的电压输出信号，插图显示了传感器连接到静电表的示意图。
图4（A）Pf-3样品的电压输出信号和拟合计算曲线。（B）不同负载频率下的输出电压。（C）通过在1 Hz和20 N下连续施加和释放1000次压力循环。PVDF薄膜作为传感器的性能：（D）弯曲，（E）敲击，（F）行走和（G）触摸。
陈 文
武汉理工大学材料学科首席教授，博士生导师。“百千万人才工程”国家级人选，享受国务院政府特殊津贴，兼任中国硅酸盐学会副理事长，中国固态离子学会副理事长，中国建筑材料联合会科技教育委员会主任。面向物联网、信息产业和能源环境等应用领域，长期致力于功能材料结构与物理效应及在新能源、智能传感等领域应用的研究，探明材料与器件的多场信息响应机理，开发一系列高性能压电/介电材料、新型功能薄膜、新型纳米复合材料等功能材料与器件，并在多场景中得到应用验证。承担国家级重点科研项目10多项，获省部级科技奖一等奖2项、二等奖2项，国家级教学成果奖二等奖1项，在国内外权威学术刊物上发表学术论文500多篇，包括 Adv. Mater.、Adv. Energy Mater.、Energ. Environ. Sci. 等，授权国家发明专利50多件，多件专利成果得到推广应用。
沈 杰
武汉理工大学教授，博士生导师，国家级高层次人才（青年），中国复合材料学会智能复合材料专业委员会委员，湖北省五一劳动奖章获得者，“楚天英才计划“科技创新团队带头人。长期从事功能材料结构与物理性能研究，在复合介质高频介电响应机理、功能复合材料设计、复合材料界面调控等方面取得了一定理论与技术成果，应用于多款装备。指导学生获第八届中国国际“互联网+”大学生创新创业大赛金奖，第九届“创青春”中国青年创新创业大赛金奖，湖北省第十二届“挑战杯”大学生创业计划竞赛金奖。相关成果发表高水平学术论文50余篇、获授权发明专利30件。
Interdisciplinary Materials（交叉学科材料）是由Wiley出版集团与武汉理工大学联合创办的开放获取式高水平学术期刊。主编为张清杰院士和傅正义院士。30位国际杰出学者和45位两院院士作为期刊的编辑委员会委员。Interdisciplinary Materials 是国际上聚焦材料与其它学科交叉前沿发起出版的首本“交叉学科材料”领域高水平期刊，旨在发表材料学科与物理、化学、数学、力学、生物、能源、环境、信息等学科交叉研究的最新成果。
· 2022年1月首发，前三年完全免费发表
· 2022年6月被DOAJ数据库收录
· 2022年9月入选“中国科技期刊卓越行动计划高起点新刊”
· 2023年7月被Ei Compendex数据库收录
· 2023年11月被ESCI数据库收录
· 影响因子：24.5
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