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图 偏氟乙烯基聚合物50余年来的发展及其电活性在机电耦合、电热耦合与能量/信息存储中的应用
在国家自然科学基金项目（资助号：52076127）资助下，上海交通大学钱小石教授与海外合作者合作撰写了题为“含氟聚合物铁电体：极性结构能源转换的多功能平台（Fluoropolymer Ferroelectrics: Multifunctional Platform for Polar-Structured Energy Conversion）”的综述文章，近日发表在《科学》（Science）期刊。文章对聚偏氟乙烯（PVDF）基铁电高分子材料在固态制冷、储能、机电耦合和信息存储等领域的应用进行了系统性的分析、探讨和展望。这是继《科学》杂志1983年刊登首篇铁电高分子综述论文后，该杂志再次刊登铁电高分子为主题的综述论文。文章链接：https://www.science.org/doi/10.1126/science.adg0902。
铁电高分子材料具有多种独特特点，如具有柔性、易于制造成复杂形状和具备可调的自发极化。它们能够实现电、机械和热能之间的高效交叉耦合，这些耦合效应可被利用于诸如储能、仿生芯片、传感、软机器人、电卡制冷等广阔的领域。同时，以含氟高分子为主体的聚合物材料具有良好的加工性能，可以轻松制备成轻薄柔韧的薄膜与纤维，便于器件集成，从而适用于便携式、小型化和可穿戴的电活性装置。
钱小石教授团队与海外合作者团队近两年来分别设计了系列铁电高分子四聚物，显著提升了铁电高分子中的电卡制冷效应与压电效应：通过分子级缺陷调控，可以精确控制高分子在不同能量转化过程中的效率。例如，氟化烷基（FA）修饰的弛豫铁电四聚物在超低电场下表现出超过7.5 K的大电卡制冷效应，且不易产生疲劳，首次实现了超过百万次的制冷循环。这些电卡聚合物材料有望实现零温室气体排放、高能效、局域化的制冷/热泵器件，为目前热泵、空调和冰箱行业提供零GWP（温室效应指数）、小型化、轻量化、定制化的技术补充。相似的四聚物展示出超过商用压电陶瓷（PZT）的压电和机电耦合系数，在50 MV/m的低电场下达到了4%的电致应变。
文章最后指出，本领域的研究需要进一步探索铁电聚合物分子结构和极化响应之间的关系，设计特定应用场景下的特异性铁电高分子材料。同时，需要关注单体选择、高分子结晶以及极化微区形态结构等方面的突破性工作，以实现更高效的能量转化。此外，利用成熟的高分子制程技术（如多层电容、纤维织物等）可以为快速生产未来的先进功能高分子薄膜器件提供便利，有望在即将到来的元宇宙触觉感知、机器人应用等领域发挥关键作用。铁电高分子材料还可作为平板或可穿戴空调的固态制冷工质，提供其他产品无法提供的可穿戴、轻量化和低能耗的主动冷热调控能力，为相关市场带来新的低碳节能解决方案。