弹性铁电材料是保持铁电性的同时具备良好弹性的一类材料，这类材料主要呈现网络状交联结构。铁电聚合物的线性链段与交联剂的柔性软段通过交联点连接，在拉伸过程中通过抑制分子链间的滑移，从而使铁电聚合物产生弹性，其结晶区域在拉伸时作为一个整体保持铁电性。弹性铁电材料因其优异的弹性、可拉伸性、铁电性、压电性等性能，有望应用于介电驱动、智能传感，人工肌肉，信息处理，能量存储和生物集成系统等各个领域。近年来，通过“微交联”的方法，PVDF共聚物铁电材料的弹性化发展已经实现了巨大突破。然而，PVDF共聚物因其具有较高的成本使弹性铁电材料难以进行产业化发展，除此以外，共聚基团的引入破坏了PVDF的有序状态，显著降低材料的居里转变温度，限制了材料的在高温环境下的适用性。均聚PVDF铁电材料的价格约为是PVDF共聚物的1/100，其居里温度在熔点以上。此外，均聚PVDF铁电材料还具有良好的热稳定性、耐溶剂性等性质。但因其较高的模量难以实现弹性化。

  为了解决上述问题，中国科学院宁波材料技术与工程研究所前沿交叉科学研究中心胡本林团队采用均聚PVDF与高活性柔性长链交联剂在温和条件下进行交联，利用均聚PVDF铁电材料的弹性化成功设计了一种低成本和高温稳定的本征弹性体材料。该材料在60%应变下弹性回复率超过80%，在110 ℃下保持7.00 μC/cm²的高剩余极化（P_r），即使在高达70%的应变下也能保持稳定的铁电响应。PVDF铁电材料的本征弹性化在低成本、高温稳定和高弹性等方面的突破为下一代可穿戴电子产品的发展提供了一个新途径。

  2026年2月7日，相关研究成果以题为” Intrinsic Elastificaton of Ferroelectric Poly(vinylidene fluoride) Homopolymers”发表于《Angew. Chem. Int. Ed.》上。

  均聚PVDF铁电材料具有高度规整的分子链结构，赋予了其高模量的特性，这使得均聚PVDF弹性化的难度大大增加。之前研究发现，聚乙二醇(PEG)具有柔性长链，且其与PVDF的互溶性有限，反应会发生在无定形区域，可以很好的对均聚PVDF进行塑化。双吖丙啶分子可以在温和的条件下分解成卡宾，通过C-H插入来促进均聚PVDF的交联。

图 1.均聚PVDF的交联。

  交联PVDF的力学性能受到交联密度的显著影响。可以明显发现，均聚PVDF在与双吖丙啶交联剂进行交联之后，随着交联密度的增加材料的屈服现象逐渐消失，当交联密度为3.71%时，屈服点完全消失，此时材料开始表现出弹性，在60%应变下实现了超过80%的弹性恢复。

图 2. 交联均聚PVDF的机械性能。

  在ε-T曲线（图3A）中，在190 ℃下，原始PVDF和交联PVDF均未显示居里温度峰，在175 ℃附近观察到的相变归因于PVDF的熔融行为。交联PVDF在30 ~ 110 ℃范围内具有良好的铁电响应。随着温度的升高，矫顽场逐渐降低，剩余极化和最大极化逐渐增加。在110 ℃时，最大极化（P_max）和剩余极化（P_r）分别达到8.51 μC/cm²和7.00 μC/cm²。采用压电响应力显微镜（PFM）在交联PVDF的结晶区域中观察到清晰且可逆的极化转换。此外，PFM测量确定交联PVDF的压电系数（d₃₃）为14.91 μm/V，证实了其压电稳定性。总而言之，交联均聚PVDF弹性铁电材料表现出强大的铁电响应和一致的压电行为。

图 3. 交联均聚PVDF的铁电性能。

  使用PFM在微观尺度上研究施加应变下的铁电响应。该材料从0%至70%应变保持稳定的铁电行为。这些结果表明，即使在大的变形下，材料的局部铁电响应仍然是稳定的。随着外加应变的增加，矫顽电压逐渐降低。这种趋势可归因于两个因素：（i）拉伸期间的膜变薄，有效降低了畴翻转电压，（ii）结晶区域沿着拉伸方向的逐渐取向，当施加电场时，偶极子更易进行翻转。

图 4. 交联 PVDF厚膜在拉伸下的PFM铁电特性。

  总结：本研究解决了现有PVDF共聚物弹性铁电材料成本高、居里温度低的局限性。通过在PVDF均聚物中引入高反应性柔性长链交联剂，获得了具有低成本和高温稳定的本征弹性铁电体。该策略克服了均聚PVDF因其固有的高模量难以弹性化的长期挑战。所得到的交联PVDF在60%应变下表现出超过80%的弹性回复率，并保持了优秀的铁电、压电、热稳定和化学稳定性。该材料在110 ℃下的剩余极化高达7.00 μC/cm²，并且在70%的应变下仍能保持稳定的铁电响应。均聚PVDF的本征弹性化是弹性铁电聚合物领域的重大进展，在低成本和温和条件下交联均聚PVDF为弹性铁电聚合物在产业化的实现上推进了一大步，高温稳定的突破为可穿戴电子产品在更宽温度范围内的发展提供了一个新途径。

  原文链接：https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/ange.4732764

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