Thermally Stable Poly(vinylidene fluoride) for High-Performance Printable Piezoelectric Devices

材料科学 压电 机电耦合系数 聚合物 复合材料 平面的 压电系数 联轴节(管道) 共聚物 氟化物 表征(材料科学) 纳米技术 无机化学 化学 计算机图形学(图像) 计算机科学
作者
Jiajun Lin,Mohammad H. Malakooti,Henry A. Sodano
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:12 (19): 21871-21882 被引量:34
标识
DOI:10.1021/acsami.0c03675
摘要

Piezoelectric polymers, such as poly(vinylidene fluoride) (PVDF) and its copolymers, can achieve large strains and high work density under external electrical fields. These materials are highly desirable in the development of electronic devices and intelligent structures. Here, we demonstrate that dehydrofluorination (DHF) can provide a versatile chemical modification of the PVDF homopolymer that yields thermally stable ferroelectricity. The DHF process significantly increases the fraction of planar chain conformation in the PVDF and results in higher piezoelectric coupling with a wider processing temperature range, compared to traditionally processed PVDF. The efficacy of DHF in promoting planar chain conformation is demonstrated through molecular simulation and further proven by experimental characterization. The induced piezoelectric phases by DHF were able to be preserved through high temperature treatments up to 200 °C. The dehydrofluorinated PVDF exhibits improved electromechanical coupling with a high piezoelectric strain coefficient of d31 = 25.12 ± 1.13 pC/N, which can be further improved to 35.12 ± 0.69 pC/N by common mechanical drawing. This high piezoelectric voltage coefficient leads to an excellent actuation and energy harvesting behavior with a power density of 21.96 mW/cm3 in a flexible undrawn PVDF energy harvester, which is 3.13 times higher than conventionally drawn PVDF. The versatile and scalable method for preparing PVDF polymers with high piezoelectric coupling will enable new manufacturing processes not currently compatible with PVDF homopolymers.
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