聚偏氟乙烯α相向γ′相的相转变机理研究
批准号:
22073006
项目类别:
面上项目
资助金额:
63.0 万元
负责人:
孙晓丽
依托单位:
学科分类:
高分子物理与高分子物理化学
结题年份:
2024
批准年份:
2020
项目状态:
已结题
项目参与者:
孙晓丽
中文摘要
聚偏氟乙烯(PVDF)是一种多晶型聚合物,其压电、铁电性能强烈依赖于PVDF的晶型。PVDF的α相是非极性相,不具备压电、铁电性能。与γ球晶接触的α球晶在高温下退火转变为具有铁电性能的γ′相。二者的相转变研究一直停留在微米尺度的认知上面,相转变机理尚未有深入系统的研究。本项目拟结合温度场、剪切外力场等技术制备以不同方式相互接触的α相/γ相,如球晶/球晶、横晶/横晶接触等;用原子力显微镜、微束X射线、纳米红外、显微红外/拉曼等技术原位追踪α相向γ′相的相转变过程中分子链构象/构型、晶体结构/形态等多层次结构的演变过程;明确薄膜厚度、晶体取向、温度、α/γ相接触方式等对相转变的影响规律,从分子水平揭示α相向γ′相的相转变机理,并进一步研究γ′相的微观、宏观压电、铁电性能。
英文摘要
Poly(vinylidene fluoride)(PVDF) is a kind of polymorphic polymer.The piezoelectric and ferroelectric properties highly depend on the crystal phase. The α phase of PVDF is nonpolar phase which does not show piezoelectric and ferroelectric properties. The α phase which is contacting with γ phase is able to transit to γ′ phase when annealing at high temperature for long time. Previous studies on the transition of α to γ′ are mainly limited at the micrometer scale and the transition mechanism is not clear. In this project, the α phase and γ phase will be prepared which are contacting with each other in different way by employing different methods. The samples with α spherulites contacting with γ spherulites will be prepared through the melt-recrystallization of static melt. While the samples with α transcrystalline phase contacting with γ transcrystalline phase will be also prepared through a shear equipment. The phase transition processes are characterized by using Atomic Force Microscopy, Micro-X-ray technology, Nano-IR, micro-Infrared and Raman spectroscopy technologies. The structure evolution including molecular conformation, crystal structures and morphology etc. is monitored accordingly. In addition, the piezoelectric and ferroelectric properties are measured. The aim of this project is to: (1) identify the effect of film thickness, crystal orientation, thermal treatment temperature, contacting way of α and γ phase on the phase transition behavior; (2) clarify the phase transition mechanism of α phase to γ′ phase.
本项目深入探讨了聚偏氟乙烯(PVDF)α→γ'相转变的机制及其影响因素,通过多种表征技术和外部条件的调控,系统揭示了该过程的微观与宏观特性。首先,通过控制PVDF的结晶行为,从而获得不同晶型结构(α和γ'相)。尤其是在退火过程中,PVDF由α相转变为γ'相的现象,反映了结晶过程中的动态变化。为进一步探索这一相转变过程,研究引入了TPE-EP荧光探针,通过荧光响应差异对不同晶体结构进行了定量分析。TPE-EP荧光分子与PVDF中的不同晶相间发生选择性相互作用,表现出显著的荧光强度变化。随着退火时间的延长,荧光强度在α相和γ'相中的分布特征发生了变化,这为PVDF的相转变过程提供了实时、直观的监测手段。在此基础上,研究还考察了结晶温度和退火温度对PVDF结晶结构及其相转变速率的影响。较高的结晶和退火温度加速了α到γ'相的转变过程。不同结晶温度驱动的结晶形态变化,也决定了材料的最终铁电稳定性能,特别是与P(VDF-TrFE)薄膜的顺电相转变为铁电相的特性。此处,结合WAXD和DSC等技术的表征结果,揭示了不同尺度的顺电相晶体对居里相变动力学和热力学的作用。小晶粒尺寸的顺电相晶体在降温过程中表现出更快的相变速率,同时在更高温度下转变为含有更少旁氏构象缺陷的极性相。通过精确调控顺电相前驱体晶粒尺寸,成功实现了居里转变温度近10 °C的调控,同时显著提升了薄膜的铁电热稳定性。最后,为了进一步理解结晶行为与PVDF薄膜性能之间的关系,本研究引入了聚酰亚胺纤维剪切的影响。通过流变仪量化分析,结合剪切速率对晶相形成的影响,研究发现剪切条件可以改变PVDF薄膜的结晶行为,进而影响晶体结构的取向性和相对含量。低速剪切促进γ相的生成,而较高剪切速率有助于α相的形成。结合Weissenberg数的定量分析,进一步揭示了剪切取向对PVDF相转变和薄膜性能的影响。综上所述,本研究从结晶过程、荧光探针响应、温度调控到剪切行为,系统地探索了PVDF材料在不同条件下的相转变及其物理化学特性。通过精准调控结晶、退火和剪切条件,我们不仅阐明了PVDF的α→γ'相转变的机理,还为提高其薄膜性能、拓展应用提供了理论基础。
聚噻吩/弹性体基可拉伸半导体薄膜的结晶行为及拉伸性能关系研究
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批准号:21774011
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项目类别:面上项目
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资助金额:64.0万元
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批准年份:2017
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负责人:孙晓丽
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依托单位:
高度取向聚偏氟乙烯及其共混/共聚超薄膜的结构与铁电性能关系研究
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批准号:21574010
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项目类别:面上项目
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资助金额:65.0万元
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批准年份:2015
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负责人:孙晓丽
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依托单位:
聚酯聚合物在纳米管模板中的受限结晶及熔融行为研究
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批准号:21274010
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项目类别:面上项目
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资助金额:82.0万元
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批准年份:2012
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负责人:孙晓丽
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依托单位:
非晶聚合物界面上聚羟基丁酯超薄膜的熔融及结晶行为研究
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批准号:21004003
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项目类别:青年科学基金项目
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资助金额:19.0万元
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批准年份:2010
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负责人:孙晓丽
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依托单位:
国内基金
海外基金