[发明专利]驱动用铁电聚合物基纳米复合材料及其制备方法与应用

说明书

本发明属于柔性驱动材料相关技术领域，其公开了一种驱动用铁电聚合物基纳米复合材料及其制备方法与应用，该方法包括以下步骤：(1)将具备极性分子构象和非极性分子构象的铁电聚合物溶解于有机溶剂中得到聚合物溶液；(2)将纳米填料分散于聚合物溶液中以得到混合溶液，将所述混合溶液置于金属容器中并在常温下静置，以自然挥发溶剂成膜后取出，得到铁电聚合物基纳米复合材料。本发明利用铁电聚合物与纳米粒子之间的界面效应来降低分子结构相变的驱动电场，获得了优异的驱动性能，且通过简单的制备方法能够同时提升应变和弹性能量密度，从而解决了目前铁电基聚合物材料作为电驱动器、驱动电场大且输出驱动弹性能量低的问题。

技术领域

本发明属于柔性驱动材料相关技术领域，更具体地，涉及一种驱动用铁电聚合物基纳米复合材料及其制备方法与应用。

背景技术

近年来，随着智能硬件市场的快速发展，柔性电子技术已成为研究热点之一。柔性驱动材料使得电子器件可以更加轻薄，适应更加复杂的形态和应变环境。其中，铁电基聚合物具有响应速度快、驱动应变较大、生物相容性高、易加工等方面的优势在柔性驱动材料领域受到广泛研究。

铁电聚合物产生的高电致应变起源于其分子结构的极性相和非极性相两个异构体在施加电场时发生相变。在通常的条件下，这两种分子构象之间的转变依赖于大驱动电场(100MV/m)。此外，由于聚合物的杨氏模量较低，导致其驱动弹性能量密度比常见的电致驱动材料(如压电陶瓷或单晶)通常低一个量级以上，难以满足某些高驱动力要求的应用场景。因此，如何在低电场下实现铁电聚合物基材料体系产生大应变和高弹性能量密度是设计新型柔性驱动材料所面临的核心技术难题之一。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种驱动用铁电聚合物基纳米复合材料及其制备方法与应用，其利用铁电聚合物与纳米粒子之间的界面效应来降低分子结构相变的驱动电场，获得了优异的驱动性能，且通过简单的制备方法能够同时提升应变和弹性能量密度，从而解决了目前铁电基聚合物材料作为电驱动器、驱动电场大且输出驱动弹性能量低的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种驱动用铁电聚合物基纳米复合材料的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

(1)将具备极性分子构象和非极性分子构象的铁电聚合物溶解于有机溶剂中得到聚合物溶液；

(2)将纳米填料分散于聚合物溶液中以得到混合溶液，将所述混合溶液置于金属容器中并在常温下静置，以自然挥发溶剂成膜后取出，得到铁电聚合物基纳米复合材料。

进一步地，所述铁电聚合物为聚偏氟乙烯或者具备极性分子构象和非极性分子构象的聚偏氟乙烯基共聚物。

进一步的，所述有机溶剂为N,N-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、N-甲基吡咯烷酮中的任一种。

进一步地，聚合物溶液的浓度为10mg/mL～100mg/mL，所用的搅拌时间为6小时～12小时，温度为25℃～40℃。

进一步地，将纳米填料以超声的方式分散于聚合物溶液中，时间为5min～60min，功率为75W～300W。

进一步地，所述纳米填料为纳米粒子TiO₂或者纳米粒子ZnO。

进一步地，纳米粒子的粒径为10nm～100nm，纳米粒子与铁电聚合物用量的体积比为10％～22.5％。

进一步地，所述铁电聚合物为聚偏氟乙烯，所述有机溶剂为DMF，纳米填料为TiO₂纳米粒子，TiO₂纳米粒子体积为PVDF体积的14.9％。

本发明还提供了一种驱动用铁电聚合物基纳米复合材料，该铁电聚合物基纳米复合材料是采用如上所述的铁电聚合物基纳米复合材料的制备方法制备而成的。