可调控极性相含量的轻质聚偏氟乙烯泡沫材料在压电应用中的设计与性能研究

为解决聚偏氟乙烯（PVDF）压电器件中极性相含量不足的问题，研究人员通过引入不同结构的带电有机小分子（如[BMIM]BF4），结合CO2发泡技术，显著提升了PVDF泡沫的β/γ相含量（达94%），并实现22倍膨胀比和27 μm泡孔尺寸。该研究为轻质高压电性能材料的开发提供了理论依据，在传感器和催化领域具有应用潜力。

　　

聚偏氟乙烯（PVDF）因其独特的压电性能，在传感器、能量收集和催化等领域备受关注。然而，熔体结晶过程中易形成非极性α相，导致电活性丧失。传统方法通过添加纳米颗粒调控结晶行为，但如何精确控制极性相（β/γ相）含量仍是难题。此外，微孔结构能增强应力集中和空间电荷效应，进一步提升压电输出，但材料轻量化与高压电性能的协同设计缺乏系统研究。

四川大学的研究团队在《Polymer》发表论文，通过筛选不同电荷类型和基团尺寸的有机小分子（如[BMIM]BF₄），结合CO₂超临界发泡技术，成功制备出极性相含量高达94%、膨胀比22倍的PVDF泡沫。研究采用傅里叶变换红外光谱（FTIR）分析晶体结构，扫描电镜（SEM）表征泡孔形貌，并通过压电测试评估性能。

材料与晶体结构
带电有机小分子通过离子-偶极作用诱导PVDF链段扭转：[BMIM]⁺与C-F键相互作用促进β相生成，而大尺寸阴离子基团（如BF₄^-）通过空间位阻效应增加γ相含量。FTIR显示，[BMIM]BF₄复合材料的CH₂-CF₂振动峰向高波数偏移，证实相互作用增强。

发泡行为与结构调控
PVDF/[BMIM]BF₄泡沫的泡孔尺寸为27 μm，膨胀比达22倍。发泡过程中的链段拉伸进一步促进β相形成，使极性相含量从80%提升至94%。

压电性能与应用
最优样品输出电压达24 V，优于传统PVDF材料。微孔结构通过应力集中和空间电荷效应（电离气体形成驻极体）协同提升压电信号，适用于穿戴设备和催化降解。

该研究阐明了有机小分子结构（电荷类型、基团尺寸）对PVDF结晶和发泡行为的调控机制，为设计轻质高压电材料提供了新思路。通过离子-偶极相互作用和空间位阻效应的协同，实现了极性相含量的精确控制，同时微孔结构设计突破了压电性能与轻量化的矛盾，推动了PVDF在柔性电子和环境治理中的应用。