基于空间电荷驻极体的可伸缩性压电功能膜的研究

新型功能材料开发和应用是新一代信息技术产业、国防、医疗、绿色能源等相关领域发展的基础和保障。新兴的柔性和可伸缩性电子器件要求能量转换功能材料不仅具有柔韧性，而且拥有可伸缩特性。针对功能材料的伸缩特性这一问题，本项目拟在前期压电驻极体功能膜研究的基础上，对材料微结构的进行设计，采用模板调控材料微结构的方法赋予材料新结构，在柔性压电驻极体功能膜上实现可伸缩新特性。系统研究薄膜制备工艺参数和微结构参数与功能膜力学性能、电学性能，以及机电耦合性能之间的关系。阐明材料微结构与可伸缩特性之间的关系，探索建立可伸缩压电驻极体的物理模型，明确材料结构特性参数与其机械性能、储电性和压电性之间的关系，为压电驻极体材料在可伸缩电子器件中的应用奠定理论基础，提供可伸缩压电功能材料设计的新思路。

可穿戴设备、物联网和新一代机器人的发展，要求感知器件不仅具有优良的柔韧性，而且要求具有高弹性（即可伸缩性）以保障传感器件在非平整物件表面的应用得以实现。本课题利用交联聚合物的三维网络状的分子结构，以及交联分子在受力变形后自然回缩（非拉伸状态对应最高的熵值）的特性，成功制备出了拥有良好伸缩性能的交联聚丙烯（IXPP）压电驻极体薄膜，首次赋予压电驻极体膜高弹性能，并系统研究了材料的微结构与机械性能、储电性和压电性之间的关系，建立了理论模型。同时，利用模板法成功制备出了具有平行管道微结构的具有可伸缩性的氟化乙丙烯共聚物（FEP）压电驻极体膜，并研究了材料微结构参数与压电性能之间的关系。研究结果表明，聚合物交联和材料微结构调控是实现压电驻极体伸缩特性的两个有效方法。此外，我们还对基于压电驻极体膜的振动能量采集器进行了探索，初步的研究结果表明，当振子质量为25.6 g,准静态压电系数d33为620 pC/N的IXPP压电驻极体膜样品在匹配负载附近,输出的功率可达65 µW/g2。