闪蒸退火技术显著提升PVDF-TrFE压电性能：面向柔性电子器件的突破性进展

《Nature Communications》：Flash annealing boosts piezoelectricity of PVDF-TrFE

本刊推荐：为解决传统长时间退火处理PVDF-TrFE（聚偏氟乙烯-三氟乙烯）存在能耗高、效率低的问题，研究人员创新性地开展闪蒸退火技术研究。通过130℃下60秒的瞬时热处理，使电纺PVDF-TrFE纤维膜的压电系数d33提升至-70.89 pm/V，其β晶相含量显著增加且分子链取向结构得以保持。该研究为高性能柔性电子器件和微机电系统的规模化制备提供了新范式。

　　

在柔性电子器件和可穿戴设备迅猛发展的今天，高性能压电材料的开发成为制约技术突破的关键瓶颈。聚偏氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）作为最具潜力的压电聚合物之一，其压电性能主要来源于具有全反式构象（TTT）的β晶相。传统制备工艺中，为提高β晶相含量，往往需要对材料进行数小时的退火处理，这不仅大幅增加生产成本和能耗，更可能导致分子链取向结构的破坏，反而限制压电性能的进一步提升。

针对这一挑战，四川大学杨伟教授团队在《Nature Communications》发表创新性研究成果，提出一种名为“闪蒸退火”的瞬时热处理技术。研究人员发现，将电纺或旋涂制备的PVDF-TrFE薄膜在略高于其居里温度（T_C）的条件下进行60秒的快速热处理，即可使其压电系数d₃₃达到-70.89 pm/V（压电力显微镜测试）或-68 pC/N（准静态测试），显著优于传统2小时退火处理的样品，更是商业PVDF薄膜的2倍以上。

关键技术方法包括：通过差示扫描量热法（DSC）确定最佳退火温度（130℃）；利用原位X射线衍射（XRD）和拉曼光谱追踪β→α→β晶相转变过程；采用分子动力学模拟分析分子链构象演化；通过压电力显微镜（PFM）和准静态压电测试系统评估压电性能；构建传感器件验证能量采集和生理信号监测能力。

分子链构象与晶体结构转变

研究发现，当温度达到居里温度（110℃）时，PVDF-TrFE中的β晶相逐渐衰减，同时α晶相开始形成。当温度升至130℃时，β晶相完全消失，而α晶相含量达到峰值。有趣的是，在冷却过程中，新形成的α晶相又完全转化为β晶相，且β晶相含量显著增加。二维广角X射线衍射（2D-WAXD）分析表明，闪蒸退火后样品的赫尔曼取向因子（HOF）保持在-0.47，与未退火样品（-0.46）基本一致，说明该方法有效保持了分子链的取向结构。

分子动力学模拟验证

模拟结果显示，PVDF-TrFE的铁电-顺电相变发生在300-500K温度范围内。TrFE单元在相变过程中起到“扣环”作用，抑制分子链在高温下的收缩，使取向的非晶区分子链更容易通过相变形成TTT构象。这种构象转换与居里转变同步发生，仅需约400纳秒即可完成。

铁电与压电性能提升

电滞回线（P-E loop）测试表明，经过闪蒸退火的旋涂薄膜表现出更强的铁电响应。压电力显微镜测试显示，退火后样品呈现出典型的“蝴蝶曲线”，其逆压电系数d₃₃达到-70.89 pm/V，远高于未退火样品。直接压电输出测试也证实，闪蒸退火处理的电纺纤维膜具有96.9 mV/N的力灵敏度，是商业PVDF薄膜的5倍以上。

应用性能验证

在能量采集方面，闪蒸退火处理的压电纳米发电机在680 kΩ负载下输出功率密度达7.53 mW/m2。在生理信号监测中，该传感器可清晰识别咳嗽、吞咽和说话等喉部振动信号，并能准确区分吉他不同琴弦的高频振动（200 Hz）。

本研究通过闪蒸退火技术成功实现了PVDF-TrFE压电性能的显著提升，其核心机制在于快速热循环过程中实现的β→α→β晶相转变。这种处理方法不仅大幅缩短了传统退火时间（从数小时降至60秒），更重要的是保持了湿法加工过程中形成的有利微观结构。该技术为高性能压电聚合物的大规模制备提供了新的技术路径，对推动柔性电子、可穿戴设备和微机电系统的发展具有重要意义。研究揭示的分子链构象转变机制也为其他铁电聚合物的性能优化提供了理论参考。