在过去的几十年中，通过在基于陶瓷的弛豫铁电材料中构建准同型相界(MPB)行为，成功实现了压电系数的显著提升，使其在执行器、换能器和传感器应用中表现出色。然而，在柔性铁电聚合物，如聚（偏二氟乙烯-三氟乙烯）(P(VDF-TrFE))中，由于缺乏对聚合物链结构和组成的合理设计，仅在正常的铁电状态下实现了类似MPB的行为，其压电系数（d₃₃）最高约为?63.5 pC/N。

  为了在柔性铁电聚合物P(VDF-TrFE)中实现高的压电系数，西安交通大学化学学院张志成教授联合电子科学与工程学院魏晓勇教授设计报道了通过完全氢化聚（偏二氟乙烯-三氟氯乙烯）(P(VDF-CTFE)), 合成制备了弛豫铁电聚合物H-P(VDF-TrFE)，兼具优异的弛豫特性和高的剩余极化强度，并且当TrFE含量为23mol%时，诱导了H-P(VDF-TrFE)表现出类似于陶瓷的MPB行为，d₃₃高达-107 pC/N，比商业PVDF(?20 pC/N)高出五倍以上，为开发具有超高压电性能的柔性铁电聚合物提供了新的策略。

  2025年4月21日，该研究成果以“通过调节P(VDF-TrFE)的序列和纳米畴结构实现超高的压电系数”(Ultrahigh Piezoelectric Coefficients Achieved by Tailoring the Sequence and Nano-domain Structure of P(VDF-TrFE)为题发表在《Advanced Materials》上，西安交通大学化学学院为第一通讯单位。西安交通大学博士研究生秦霸（共一第一）和西安石油大学硕士研究生丁国通（共一第二）为论文共同第一作者，西安交通大学张志成教授、魏晓勇教授和谭少博教授为论文的通讯作者。

  研究结果发现与直接共聚法制备的C-P(VDF-TrFE)中VDF和TrFE单元主要以头-尾(H-T)连接不同，H-P(VDF-TrFE)中的VDF和TrFE单元主要以头-头/尾-尾(H-H/T-T)的方式连接，且TrFE单元沿分子链随机分布。在这种H-H/T-T结构中，与TrFE相邻的VDF单元更倾向于形成旁氏(g)构象，而不是C-P(VDF-TrFE)中的反式(t)构象。这种差异导致在低TrFE含量下H-P(VDF-TrFE)表现出强弛豫特性(γ指数为1.75)，而C-P(VDF-TrFE)在类似TrFE含量下表现出典型的铁电行为(γ指数为1.21)。此外，低的TrFE含量还使H-P(VDF-TrFE)保持了相对较高的Pr(5.2 μC/cm²，）有利于产生更高的d₃₃。更重要的是，当TrFE含量为23 mol%时，可以诱导H-P(VDF-TrFE)从all-trans构象转变为3/1 helix构象，表现出类似陶瓷的MPB行为。这项工作为制备高性能柔性压电聚合物提供了新的思考。

图1. C-P(VDF-TrFE)与H-P(VDF-TrFE)的化学结构与组成。(a) P(VDF-TrFE)、C-P(VDF-TrFE) 和 H-P(VDF-TrFE) 的球棍模型；(b 和 e) 不同组成的 H-P(VDF-TrFE) 的 ¹H 核磁共振谱图 (b) 和 ¹⁹F 核磁共振谱图 (e)；(c 和 f) C-P(VDF-TrFE) 和 H-P(VDF-TrFE) 中的 H-H/T-T 比值 (c) 和 TrFE-TrFE 序列比值(f)随TrFE含量变化的；(d) C-P(VDF-TrFE) 和 H-P(VDF-TrFE) 的 C-C 键二面角能垒图；(g) C-80-20 和 H-80-20 的序列结构及平均链段数。

图2.聚合物弛豫特性。(a 至 c) C-80-20 (a)、H-77-23 (b) 和 H-75-25 (c) 的 AFM-IR 测试图像，上图为微观结构图像，下图为全反式构象的化学分布图；(d 至 f) 上述样品对应微区中全反式构象的红外吸收强度；(g 至 i) C-80-20 (g)、H-77-23 (h) 和三元共聚物 (i) 的介电温谱图（插图显示了介电常数与居里-外斯定律拟合的曲线）。

图3.构象演变和相结构。(a 和 b) H-P(VDF-TrFE) 的 FTIR 中全反式构象 (a) 和 3/1 螺旋构象 (b) 吸收强度随 TrFE 含量变化的情况；(c 和 d) 不同 TrFE 含量的 H-P(VDF-TrFE) 的 DSC (c) 和 XRD (d) 数据；(e 和 f) H-77-23 (e) 和 H-75-25 (f) 中全反式构象的红外吸收强度随温度的变化；(g) H-P(VDF-TrFE) 的相图，温度由介电峰温度（1 kHz 下从温度谱数据确定），其中，“O”、“D” 和 “PD” 分别代表有序相、无序相和伪无序相；(h) 不同 TrFE 含量下 C-P(VDF-TrFE) 和 H-P(VDF-TrFE) 中全反式构象与 3/1 螺旋构象的能量差异的 DFT 计算结果。

图4.H-P(VDF-TrFE)的机电特性。(a) H-P(VDF-TrFE) 的 P-E 回线。(b) C-P(VDF-TrFE)二聚物，P(VDF-TrFE-CFE)三聚物与本研究工作的H-P(VDF-TrFE)的弛豫特性及极化强度对比；(c) H-P(VDF-TrFE) 的介电谱；(d 和 e) H-P(VDF-TrFE) 的压电系数，通过双极电场诱导应变的逆向测量 (d) 和直接测量 (e，黑色方块)对比图；(f) 本研究的 d₃₃ 与已报道的铁电聚合物的d₃₃ 对比。

  本文得到国家重点研发计划（2023YFB3208400，92066204， 92366302）和国家自然科学基金（52073225, 52373021, 22275173）的资助。

  原文链接：https://advanced.onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adma.202502708

作者介绍：

  张志成，西安交通大学化学学院教授，国家级领军人才，博士生导师。主要研究领域包括新型氟聚合物的设计与可控合成，新型电介质的分子设计与偶极调控，电活性高分子及其在高储能电容器、压电传感器等领域的应用等。

  课题组链接：https://gr.xjtu.edu.cn/en/web/zhichengzhang