弹性铁电材料论文登《Science》，柔性可穿戴设备将有新突破

电子工程专辑讯近日，一则关于兼具弹性的铁电材料的理论研究及应用研发重大突破的相关成果论文，在北京时间8月4日凌晨获国际著名学术期刊《科学》(Science)在线发表。该论文出自于中国科学院宁波材料技术与工程研究所（以下简称“中国科学院宁波材料所”）开发出的新材料，该团队基于对铁电材料结构的研究，提出“弹性铁电”概念，通过“微交联法”精准设计和控制材料结构，创制出拉伸率高达125%的弹性铁电材料。

Science论文信息截图

铁电材料是一种绝缘性功能材料，它表面自带无序电荷，一旦有电场作用，这些电荷就会随着电场的变化而变化。有意思的是，这些铁电材料还具有记忆性，即使电场不再作用了，排好队的电荷也会保持原状态而不发生改变。这使得铁电材料具备高介电常数、压电性、热电性、电制冷性等特性，可以用在计算机存储器、高精度电机、超敏感传感器和声纳设备等电子产品中，也是我们日常使用的手机、平板电脑等电子设备中必不可少的材料之一。

铁电材料的应用场景包括，触屏手机中用来将触压转变成电信号的压电膜就是用的这种铁电材料，还有打火机中用压电陶瓷制成的打火石，也是这种材料更早期的应用，它可以把受到的力学压力转变为六七千伏的电压，从而瞬间击穿空气，产生火花。

而传统的材料，像无机的铁电材料是不具备弹性，要不就是完全没有拉伸，有一些铁电材料能够拉伸，但是没有弹性回复。因为铁电性是来源于材料中的结晶部分，其晶体本身几乎不具备弹性。

如果铁电材料具备弹性，该材料将应用于制造柔性可穿戴设备，如果能真正实现场景落地，这在技术上又是一大突破。

Science审稿人认为，在铁电材料被发现后的百年历史中，铁电陶瓷不超过0.2%的拉伸应变，聚合物铁电材料也只有小于2%的弹性回复，与此前相比，该成果是个突破性的工作，开辟了全新的“弹性铁电”学科方向。

传统铁电材料如何具备弹性？

具体的铁电材料发展历程就不过多介绍，我们先了解这次中国科学院宁波材料所提出的弹性铁电材料，他是通过“微交联法”制备的。

经“微交联法”制备的铁电材料

上文有介绍传统的铁电材料是拉伸不可回复，在拉伸过程中，铁电材料的非晶区的缠绕结构在拉伸后会被破坏，分子链发生了相对位移，大的结晶区在拉伸应变下破碎成小的晶区，这两种变化都是不可逆、难回复，宏观上就是“细颈化”。

该研究团队用“微交联法”制备的的铁电材料在拉伸时由于交联网络结构可以把应力耗散掉，结晶区没有明显变化，撤销应力后能回复到初始状态。也就是说，“微交联法”制备方法是用微量的柔软链状聚合物，让铁电晶体周边非晶的缠绕部分交联起来，相互交织形成具有弹性的渔网状结构。

“简单来说，就是用柔软链状聚合物，让铁电晶体周边非晶的缠绕部分交联起来，相互交织形成具有弹性的渔网状结构。”中国科学院宁波材料所柔性磁电功能材料与器件团队硕士生高亮解释道,就像是一把麻绳，如果只是随意放置，那稍微一碰就将散架，只有通过一定手段交联在一起，才能成为一张柔软有弹性的网。

这种渔网状结构松散地将铁电晶体连接在一起。在外力作用时，可以产生可逆的形变来吸收外力，并在125%的拉伸率时依旧保持稳定的铁电性。当外力撤销时，这种弹性的渔网状结构能够迅速恢复原状，像橡皮筋一样柔软而有弹性。

这种弹性铁电材料在承受数千次的反复拉伸后，依然保持稳定的铁电性，大大提高了可靠性和使用寿命，拓展了使用范围。

中国科学院宁波材料所研究员胡本林：我们的这个材料能够拉伸到原长的1倍以上，同时还能保持原来的功能，拉伸过程中功能性几乎能保持不变。传统的电子材料都比较硬，不能拉伸，我们的材料在保持功能的同时还能像橡皮筋一样反复拉伸，功能性几乎保持不变。

该方案其实并不那么好实现，也是具有很大挑战的，高亮表示，最难的是交联剂的剂量控制。团队采用的是一种叫做聚氧化乙烯二胺的有机高分子材料作为交联剂，相当于连接一捆麻绳的胶水。“交联剂用得太少，粘接点少，弹性差；交联剂用得太多，粘接点太多，麻绳相互间捆得太牢，难以滑动，弹性也很差。因此交联剂的用量必须找到一个平衡。”

表征也是难题。在制得的材料中，每一千个原子里只有不到两个原子处于粘接点。这种超低的原子浓度为精确表征交联带来了极大的难度，远超出了普通实验室测试设备的检测极限。最后，研究团队在同步辐射装置上才完成了相关表征。

所谓的表征就是指化学表征（chemicalcharacterization），就是用物理的或化学的方法对物质进行化学性质的分析、测试或鉴定，包括成分、结构、形态、存在状态和简单的化学性质等。通过表征，才能确定所制备出的新材料，对进一步应用做出初步的判断。

总之该材料的现世也是一个新突破，不过具体的应用还需要后续推进。“我们正与相关院校的科研团队对接合作，希望可以依托在弹性铁电材料制备方面的研究，在弹性传感、弹性驱动方面做一些前瞻探索。相信这个过程不会太久。”胡本林说。