压电聚合物凭借其柔软、易加工以及耐腐蚀等诸多优点，在柔性传感、自驱动可穿戴设备、植入式设备等诸多领域中得到了广泛的应用。然而，与传统的压电陶瓷材料相比，以聚偏氟乙烯为代表的压电高分子材料存在压电系数较低、机电耦合效应差、高压极化过程复杂等问题，限制了其在实际应用中的推广。
近期，华南理工大学瞿金平院士/黄照夏副教授和中科院北京纳米能源所王中林院士/陈翔宇研究员基于前期高分子锻压成型技术（Nature Communications, 2024, 15(1): 819；Nature Communications, 2022, 13(1): 4083；Macromolecules, 2024, 57(16): 7970-7979；Macromolecules, 2023, 56(10): 3585-3594；Macromolecules, 2021, 54(10): 4847-4853；Macromolecules, 2020, 53(19): 8494-8501；Polymer, 2022, 256: 125185；Polymer, 2020, 202: 122665；Chinese Journal of Polymer Science, 2024: 1-10），提出“高分子锻压+淬火极化”新方法（图1），实现了纳米畴结构PVDF的设计和构筑。该方法使PVDF表现出大幅增强的压电输出，其压电系数 (d33) 达到 191.4 pC/N，机电耦合因子 (k33) 达 77.1%，以及铁电和介电性能的变化，揭示了畴结构和压电性能的相互作用关系，为简单且低成本制造高性能聚合物压电材料开辟了新途径。
为了研究畴结构的演变规律，通过XRD和FTIR对PVDF样品结构进行表征。XRD结果表明，机械能和电能的注入促使纳米畴PVDF薄膜的晶型由α相转向β和γ相，同时晶格参数、长周期与晶片厚度均有减小；FTIR光谱进一步证明了PVDF薄膜在加工过程的构象转变。拉曼光谱表明PVDF薄膜中纳米畴的主要成分是 TTT 构象中随机分散的纳米级 TTTGTTTG' 构象。图3为所制备的纳米畴PVDF薄膜的压电性能。通过对比d33分析，纳米畴PVDF薄膜的d33高达191.4 pC/N，对比传统方法制造的样品的d33 （21.3 pC/N）提升了9倍。此外，相较于传统工艺制造的PVDF薄膜，纳米畴结构有利于应力传递，能促进力学性能以及机电转换能力的提升。纳米畴PVDF薄膜的电压、电荷与力之间良好的线性关系以及优异的力学性能表明其在压力传感领域具有巨大的潜力。与传统 PVDF 中呈现的对称蝴蝶曲线不同，纳米畴PVDF薄膜的蝴蝶曲线电滞回线中均呈不对称性，这种不对称性源于其内部的偏置电场，可以促进压电性能的改善。得益于纳米畴的尺寸优势与更高的TTT构象含量，纳米畴PVDF薄膜展现出更低的矫顽电场和更高的剩余极化强度，表明更易翻转的纳米畴和更高程度的自发极化能够显著提升PVDF薄膜的压电性能。此外，通过对频率与电压进行控制，定量研究了累积机械能与电能对纳米畴PVDF薄膜压电性能的影响，揭示了冻结在样品内部的能量是其压电增强的主要原因。最后基于所提出的制造方法，设计了一条能工业级连续生成具有高压电性能的大尺寸PVDF薄膜的挤出极化生产线。图5：冻结能量的定量研究与工业级挤出极化生产线设计相关研究成果以“Giant Piezoelectric Coefficient of Polyvinylidene Fluoride with Rationally Engineered Ultrafine Domains Achieved by Rapid Freezing Processing”为题发表在学术期刊Advanced Materials上。华南理工大学机械与汽车工程学院博士研究生黄运智和北京纳米能源与系统研究所刘兆琦为论文共同第一作者，瞿金平院士、王中林院士、陈翔宇研究员和黄照夏副教授为共同通讯作者。声明：仅代表作者个人观点，作者水平有限，如有不科学之处，请在下方留言指正！
