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清華南策文院士、武漢理工張鑫、伍倫貢張樹君等 Nat. Commun.:極性聚合物納米復(fù)合材料中的雙界面層效應(yīng)
2023-09-21  來源:高分子科技

  以聚合物為基體、無機納米粒子為填料的聚合物納米復(fù)合材料具有優(yōu)異的電、力、熱學(xué)綜合性能,廣泛應(yīng)用于電力電子、信息、能源、航空航天等重要領(lǐng)域。長期以來,復(fù)合材料中形成的納米顆粒/聚合物界面被認(rèn)為是獲得性能提升的關(guān)鍵因素。然而,如何理解界面效應(yīng)以及界面微區(qū)的結(jié)構(gòu)與性能是聚合物納米復(fù)合材料領(lǐng)域長期面臨的基礎(chǔ)性難題。


  近日,武漢理工大學(xué)張鑫研究員、清華大學(xué)南策文院士以及伍倫貢大學(xué)張樹君教授等人合作,利用先進(jìn)原子力掃描探針及電子顯微技術(shù)實現(xiàn)了對聚合物復(fù)合材料中納米級界面微區(qū)的高精度直接觀測;诖耍l(fā)現(xiàn)復(fù)合材料中無機納米顆粒與聚合物基體的界面區(qū)域內(nèi)存在極性雙界面層結(jié)構(gòu)(圖1)。該雙界面層由具有一致取向偶極子的內(nèi)束縛極性層(厚度10納米)以及具有隨機取向偶極子的外極性層(厚度大于100納米)組成,且界面層聚合物均呈現(xiàn)出與本體聚合物不同的強極性全反式分子構(gòu)型。 


圖1 納米顆粒/聚合物界面微區(qū)極性雙界面層的直接觀測


  進(jìn)一步發(fā)現(xiàn),在聚合物納米復(fù)合材料內(nèi)部,納米顆粒周圍的雙界面層結(jié)構(gòu)與顆粒間距(顆粒體積分?jǐn)?shù))的變化緊密相關(guān),當(dāng)顆粒間距減小時會導(dǎo)致界面區(qū)域的重疊,從而削弱界面層內(nèi)聚合物極性構(gòu)型的形成(圖2)。分子動力學(xué)及相場模擬結(jié)果表明納米顆粒表面電勢以及顆粒間距的協(xié)同作用是形成界面層聚合物極性構(gòu)型的關(guān)鍵作用機制(圖3)。 


圖2 聚合物納米復(fù)合材料中極性界面層對顆粒間距變化的響應(yīng)行為 


圖3 分子動力學(xué)及相場模擬揭示界面聚合物極性構(gòu)型的形成機制


  利用極性雙界面層對顆粒間距的響應(yīng)行為,在具有超低無機顆粒含量的納米復(fù)合材料中獲得了顯著提升的介電及壓電性能(圖4)。同時,利用納米疊層設(shè)計進(jìn)一步優(yōu)化極性界面層的增強效應(yīng),在層狀復(fù)合材料中獲得了86 J/cm3的超高介電儲能密度(圖5)。這項工作促進(jìn)了對聚合物納米復(fù)合材料中界面基礎(chǔ)科學(xué)問題的理解,可為高性能極性聚合物復(fù)合材料的設(shè)計與開發(fā)提供指導(dǎo),并推動介電儲能、電卡制冷、柔性壓電傳感等前沿技術(shù)領(lǐng)域的發(fā)展。 


圖4 雙界面層效應(yīng)對納米復(fù)合材料極性相關(guān)性能的影響 


圖5 納米疊層設(shè)計實現(xiàn)超高介電儲能密度


  該工作以“Unraveling bilayer interfacial features and their effects in polar polymer nanocomposites”為題發(fā)表于《Nature communications》(Nat. Commun. 14, 5707, 2023)。武漢理工大學(xué)博士研究生李昕蕙為論文的第一作者,武漢理工張鑫研究員、伍倫貢大學(xué)張樹君教授以及清華大學(xué)南策文院士為論文的共同通訊作者。論文的重要合作者還包括武漢理工沈忠慧特聘研究員、李寶文教授,清華大學(xué)沈洋教授,中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)馬騁教授,蘇州大學(xué)李有勇教授、于怡博士后等相關(guān)人員。該工作受到國家自然科學(xué)基金以及國家重點研發(fā)計劃等項目的資助。


  原文鏈接:https://doi.org/10.1038/s41467-023-41479-0

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