Nội dung được dịch bởi AI, chỉ mang tính chất tham khảo
Tinh chỉnh tính chất ferroelectric của các hỗn hợp polyme cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng điện linh hoạt
Tóm tắt
Các polyme ferroelectric là nền tảng cho các thiết bị điện tử linh hoạt tiên tiến. Việc điều chỉnh các phim polyme ferroelectric cho nhiều ứng dụng khác nhau thông qua các phương pháp chế biến đơn giản là một thách thức. Ở đây, chúng tôi chứng minh rằng việc điều chỉnh phản ứng ferroelectric có thể đạt được trong các hỗn hợp polyme của poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) (P(VDF-TrFE)) và polymethyl methacrylate (PMMA) được chuẩn bị thông qua một quy trình hai bước đơn giản. Quy trình hai bước được đề xuất đã mang lại cho các hỗn hợp polyme sự phân bố ngẫu nhiên của pha tinh thể P(VDF-TrFE), do đó tách rời các tương tác miền ferroelectric đồng nhất giữa các pha tinh thể có trật tự liên tục mà thường tồn tại trong các phim P(VDF-TrFE) thông thường. Việc bổ sung chuỗi PMMA không tinh thể có khả năng hòa tan với độ phân cực thấp dẫn đến sự đảo ngược của các dipole và sự chuyển tiếp từ hành vi ferroelectric sang hành vi tương tự như antiferroelectric, vượt qua sự đánh đổi giữa trường phân cực và trường khử polar. Đặc biệt, các tính chất cơ học và điện tuyệt vời của các phim hỗn hợp polyme dẫn đến độ bền đứt gãy và hiệu suất lưu trữ năng lượng được cải thiện đáng kể, vượt qua P(VDF-TrFE) và các phim polypropylene định hướng hai trục thương mại. Công trình này cung cấp một chiến lược đơn giản và hiệu quả để điều chỉnh phản ứng ferroelectric của các vật liệu polyme với tiềm năng lớn cho các ứng dụng lưu trữ năng lượng điện linh hoạt.
Từ khóa
#polyme ferroelectric #P(VDF-TrFE) #PMMA #kiểm soát hàm lượng #lưu trữ năng lượng điện linh hoạtTài liệu tham khảo
Liu Y, Aziguli H, Zhang B, et al. Ferroelectric polymers exhibiting behaviour reminiscent of a morphotropic phase boundary. Nature, 2018, 562: 96–100
Chu B, Zhou X, Ren K, et al. A dielectric polymer with high electric energy density and fast discharge speed. Science, 2006, 313: 334–336
Kim P, Doss NM, Tillotson JP, et al. High energy density nanocomposites based on surface-modified BaTiO3 and a ferroelectric polymer. ACS Nano, 2009, 3: 2581–2592
Prateek, Thakur VK, Gupta RK. Recent progress on ferroelectric polymer-based nanocomposites for high energy density capacitors: Synthesis, dielectric properties, and future aspects. Chem Rev, 2016, 116: 4260–4317
Lovinger AJ. Ferroelectric polymers. Science, 1983, 220: 1115–1121
Martins P, Lopes AC, Lanceros-Mendez S. Electroactive phases of poly(vinylidene fluoride): Determination, processing and applications. Prog Polym Sci, 2014, 39: 683–706
Meng N, Ren X, Santagiuliana G, et al. Ultrahigh β-phase content poly(vinylidene fluoride) with relaxor-like ferroelectricity for high energy density capacitors. Nat Commun, 2019, 10: 4535
Terzic I, Meereboer NL, Acuautla M, et al. Electroactive materials with tunable response based on block copolymer self-assembly. Nat Commun, 2019, 10: 1
Zhang G, Li Q, Gu H, et al. Ferroelectric polymer nanocomposites for room-temperature electrocaloric refrigeration. Adv Mater, 2015, 27: 1450–1454
Li Q, Zhang G, Zhang X, et al. Relaxor ferroelectric-based electrocaloric polymer nanocomposites with a broad operating temperature range and high cooling energy. Adv Mater, 2015, 27: 2236–2241
Zhang G, Zhang X, Yang T, et al. Colossal room-temperature electrocaloric effect in ferroelectric polymer nanocomposites using nanostructured barium strontium titanates. ACS Nano, 2015, 9: 7164–7174
Chen Q, Shen Y, Zhang S, et al. Polymer-based dielectrics with high energy storage density. Annu Rev Mater Res, 2015, 45: 433–458
Li Q, Chen L, Gadinski MR, et al. Flexible high-temperature dielectric materials from polymer nanocomposites. Nature, 2015, 523: 576–579
Yang L, Li X, Allahyarov E, et al. Novel polymer ferroelectric behavior via crystal isomorphism and the nanoconfinement effect. Polymer, 2013, 54: 1709–1728
Cheng ZY, Zhang QM, Bateman FB. Dielectric relaxation behavior and its relation to microstructure in relaxor ferroelectric polymers: High-energy electron irradiated poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene) copolymers. J Appl Phys, 2002, 92: 6749–6755
Forsythe JS, Hill DJT. The radiation chemistry of fluoropolymers. Prog Polym Sci, 2000, 25: 101–136
Chu B, Xin Zhou, Neese, et al. Relaxor ferroelectric poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene) terpolymer for high energy density storage capacitors. IEEE Trans Dielect Electr Insul, 2006, 13: 1162–1169
Xu H, Cheng ZY, Olson D, et al. Ferroelectric and electromechanical properties of poly(vinylidene-fluoride-trifluoroethylene-chlorotrifluoroethylene) terpolymer. Appl Phys Lett, 2001, 78: 2360–2362
Guan F, Wang J, Yang L, et al. Confinement-induced high-field antiferroelectric-like behavior in a poly(vinylidene fluoride-co-trifluoroethylene-co-chlorotrifluoroethylene)-graft-polystyrene graft copolymer. Macromolecules, 2011, 44: 2190–2199
Li J, Tan S, Ding S, et al. High-field antiferroelectric behaviour and minimized energy loss in poly(vinylidene-co-trifluoroethylene)-graft-poly(ethyl methacrylate) for energy storage application. J Mater Chem, 2012, 22: 23468–23476
Guan F, Yang L, Wang J, et al. Confined ferroelectric properties in poly(vinylidene fluoride-co-chlorotrifluoroethylene)-graft-polystyrene graft copolymers for electric energy storage applications. Adv Funct Mater, 2011, 21: 3176–3188
Khan MA, Bhansali US, Almadhoun MN, et al. High-performance ferroelectric memory based on phase-separated films of polymer blends. Adv Funct Mater, 2013, 24: 1372–1381
Gao L, He J, Hu J, et al. Tailored ferroelectric responses and enhanced energy density in PVDF-based homopolymer/terpolymer blends. J Appl Polym Sci, 2014, 131: 40994
Chen XZ, Li X, Qian XS, et al. A polymer blend approach to tailor the ferroelectric responses in P(VDF-TrFE) based copolymers. Polymer, 2013, 54: 2373–2381
Zhang X, Shen Y, Shen Z, et al. Achieving high energy density in PVDF-based polymer blends: Suppression of early polarization saturation and enhancement of breakdown strength. ACS Appl Mater Interfaces, 2016, 8: 27236–27242
Liu F, Li Z, Wang Q, et al. High breakdown strength and low loss binary polymer blends of poly(vinylidene fluoride-trifluoroethylene-chlorofluoroethylene) and poly(methyl methacrylate). Polym Adv Technol, 2018, 29: 1271–1277
Kim EJ, Kim KA, Yoon SM. Investigation of the ferroelectric switching behavior of P(VDF-TrFE)-PMMA blended films for synaptic device applications. J Phys D-Appl Phys, 2016, 49: 075105
Bae I, Kang SJ, Park YJ, et al. Organic ferroelectric field-effect transistor with P(VDF-TrFE)/PMMA blend thin films for nonvolatile memory applications. Curr Appl Phys, 2015, 10: e54–e57
Aid S, Eddhahak A, Khelladi S, et al. On the miscibility of PVDF/PMMA polymer blends: Thermodynamics, experimental and numerical investigations. Polym Testing, 2019, 73: 222–231
Tanaka H, Nishi T. New types of phase separation behavior during the crystallization process in polymer blends with phase diagram. Phys Rev Lett, 1985, 55: 1102–1105
Okada T, Saito H, Inoue T. Nonlinear crystal growth in the mixture of isotactic polypropylene and liquid paraffin. Macromolecules, 1990, 23: 3865–3868
Okabe Y, Murakami H, Osaka N, et al. Morphology development and exclusion of noncrystalline polymer during crystallization in PVDF/PMMA blends. Polymer, 2010, 51: 1494–1500
Li J, Li F, Zhang SJ. Decoding the fingerprint of ferroelectric loops: Comprehension of the material properties and structures. J Am Ceram Soc, 2014, 97: 1–27
Zhu L, Wang Q. Novel ferroelectric polymers for high energy density and low loss dielectrics. Macromolecules, 2012, 45: 2937–2954
Stephanovich VA, Luk’yanchuk IA, Karkut MG. Domain-enhanced interlayer coupling in ferroelectric/paraelectric superlattices. Phys Rev Lett, 2005, 94: 047601
Zhang X, Shen Y, Zhang Q, et al. Ultrahigh energy density of polymer nanocomposites containing BaTiO3@TiO2 nanofibers by atomic-scale interface engineering. Adv Mater, 2015, 27: 819–824
Li Q, Zhang G, Liu F, et al. Solution-processed ferroelectric terpolymer nanocomposites with high breakdown strength and energy density utilizing boron nitride nanosheets. Energy Environ Sci, 2015, 8: 922–931
Zhou X, Zhao X, Suo Z, et al. Electrical breakdown and ultrahigh electrical energy density in poly(vinylidene fluoride-hexafluoropropylene) copolymer. Appl Phys Lett, 2009, 94: 162901
Ieda; Ieda M. Dielectric breakdown process of polymers. IEEE Trans Elect Insul, 1980, EI-15: 206–224
Zhu Y, Zhu Y, Huang X, et al. High energy density polymer dielectrics interlayered by assembled boron nitride nanosheets. Adv Energy Mater, 2019, 9: 1901826
Jiang Y, Zhang X, Shen Z, et al. Ultrahigh breakdown strength and improved energy density of polymer nanocomposites with gradient distribution of ceramic nanoparticles. Adv Funct Mater, 2019, 30: 1906112