温度调控聚偏氟乙烯(PVDF)跨晶结构的可控制备与性能研究

为解决PVDF材料中γ相晶体(γ-PVDF)成核密度低、生长速率慢的难题，研究人员通过设计五种温度调控路径，系统研究了结晶温度对跨晶结构的影响。研究发现通过剪切-结晶协同调控可定向制备α/γ'/γ多晶型跨晶结构，其中170°C等温结晶可获得纯γ-PVDF跨晶层，低-高温分段结晶则形成γ'/γ双层结构。该研究为高性能铁电/压电材料的可控制备提供了新策略。

　　

在功能高分子材料领域，聚偏氟乙烯(PVDF)因其独特的铁电和压电特性备受关注。然而要实现其高性能应用，必须解决晶体结构调控的三大瓶颈：γ相晶体(γ-PVDF)成核困难、高温生长缓慢，以及α/γ多晶型难以精确控制。传统静态结晶仅能获得低性能的α-PVDF，而具有优异铁电特性的γ-PVDF通常需要长达120小时的高温结晶过程。更棘手的是，γ-PVDF的成核位点随机且密度低，这严重制约了其在柔性电子、能量收集等领域的应用。

青海大学的研究团队在《Materials Today Communications》发表的研究中，创新性地将剪切场调控与温度编程相结合，设计了五种精密的热力学路径。通过刀片剪切超冷PVDF熔体诱导β-PVDF取向晶种，随后在不同温度下进行跨晶生长，成功实现了从α相到γ'相(γ'-PVDF)再到γ相的多级结构演变。研究团队采用溶液浇铸法制备25μm薄膜，通过同步辐射X射线衍射和差示扫描量热法分析晶体结构，并建立剪切温度-结晶温度的二维调控模型。

关键实验技术

1. 刀片剪切技术诱导β-PVDF取向晶种
2. 多段温度编程结晶（162-170°C梯度调控）
3. 超长时等温结晶（最长120小时）
4. 熔融-重结晶相变分析

Results and Discussion
研究发现剪切温度是决定初始晶种类型的关键：162°C剪切产生α-PVDF跨晶结构（Route A1），166°C则形成γ'+γ混合相（Route A2），而170°C直接获得纯γ-PVDF（Route A3）。更巧妙的是，通过Route B路径（先162°C后170°C分段结晶）可构建γ'/γ双层异质结构，内层γ'相作为过渡层显著提升界面结合强度。Route C路径（先170°C后166°C降温结晶）则证明γ-PVDF在亚高温仍能保持稳定生长，其结晶速率比纯高温条件提升3倍。

Conclusion
该研究突破性地证实：通过剪切-温度协同调控，不仅能大幅提高γ-PVDF成核密度（较传统方法提升15倍），还可实现跨晶结构的精确构效关系调控。特别是Route B路径构建的γ'/γ双层结构，其熔点达180°C且压电系数d₃₃显著提升，这为开发耐高温柔性传感器提供了新材料体系。研究揭示的"低温剪切-高温转型"策略，为其他半晶态聚合物的多晶型控制提供了普适性方法。

这项由Kun Liu等人完成的工作，得到了青海大学本科生科研训练计划（SRT202529/202533）的支持，其创新性体现在将传统加工工艺与精密热力学控制相结合，解决了功能高分子材料领域长期存在的"性能-工艺"难以兼顾的困境。特别是γ-PVDF跨晶结构的高效制备方法，有望推动新一代自供电电子器件的发展。