随着网络技术和人工智能的快速发展，便携式和柔性电子设备在人体活动监测、医疗诊断、手术器械和电子皮肤等领域得到广泛应用。然而，这些设备对传统储能系统（如可充电或更换电池）的依赖限制了其可扩展性和长期运行能力。自供电系统通过从环境源（如太阳能、热能或机械能）收集能量，为下一代电子产品提供了一种可持续且免维护的替代方案。其中，压电材料能够实现机械能与电能之间的相互转换，在柔性传感器、能量收集器和超声探测器等应用中受到广泛关注。压电器件的输出性能主要由压电电荷系数d₃₃决定，数值越高对应越好的机电响应。虽然商用无机压电材料具有较高的d₃₃值，但其本征脆性和高温加工要求阻碍了其在柔性和可穿戴技术中的应用。压电聚合物，特别是聚偏二氟乙烯（PVDF）及其共聚物聚偏二氟乙烯-三氟乙烯（P(VDF-TrFE)），具有机械柔性、可溶液加工和化学稳定性等优点，是可穿戴能量收集器和传感器的有前景候选材料。作为半结晶聚合物，P(VDF-TrFE)存在多种晶相（α、β、γ和δ），其中只有极性β相对压电活性有有效贡献。然而，从非极性相向β相的转变受到显著能垒的阻碍，限制了其压电性能的进一步提升。

在这项研究中，研究人员开发了一种原位生长策略，将压电分子晶体TMCM-CdBrCl₂（TMCM = 三甲基氯甲基铵）均匀掺入P(VDF-TrFE)基体中，通过静电纺丝制备复合纳米纤维膜。TMCM-CdBrCl₂具有440 pC N⁻¹的高压电系数，其有序的一维堆积提供了定向极性界面，可引导相邻P(VDF-TrFE)链的排列，从而促进协同偶极取向和极性β相的形成。X射线衍射和傅里叶变换红外光谱表征表明，添加TMCM-CdBrCl₂显著提高了复合材料的β相含量，1%质量分数的样品达到最大β相分数和结晶度。压电系数测试显示，1% TMCM-CdBrCl₂/P(VDF-TrFE)纳米纤维的|d₃₃|达到45 pC N⁻¹，约为纯P(VDF-TrFE)纤维的3.5倍。介电常数从纯聚合物的3.6提升至15.3，品质因数达到11.45 × 10⁻¹² m² N⁻¹，是纯P(VDF-TrFE)的三倍。密度泛函理论计算揭示了界面相互作用机制：P(VDF-TrFE)的-CF₂基团与TMCM⁺阳离子相互作用，-CH₂基团与CdX₆八面体相互作用，诱导聚合物从α构象转变为β构象。基于该复合材料制备的器件在能量收集方面实现了60.2 µW cm⁻²的高功率密度，在压力传感方面达到14.32 V kPa⁻¹的灵敏度，并展现出优异的水下超声波检测能力。

本研究成功通过原位生长策略将压电金属卤化物TMCM-CdBrCl₂引入P(VDF-TrFE)基体，显著改善了极性β相的形成。晶体/聚合物界面处丰富的杂原子位点与聚合物链相互作用，沿晶体取向引导偶极排列，是β相含量提升的根本原因。优化后的1% TMCM-CdBrCl₂/P(VDF-TrFE)纳米纤维表现出显著提升的压电系数（约45 pC N⁻¹）和介电常数（约15.3），分别比纯P(VDF-TrFE)纤维提高三倍以上和四倍以上。基于这些纳米纤维的器件展现出卓越的机电性能：能量收集峰值功率密度达60.2 µW cm⁻²，自供电传感压力灵敏度达14.32 V kPa⁻¹、弯曲灵敏度达55.78 mV deg⁻¹，且循环稳定性良好（10500次循环后输出电压无明显衰减）。此外，复合材料器件在水下超声波检测中表现出低频率失真，能够准确定位声源位置和辨别频率。该工作建立了一种增强氟聚合物压电性的稳健材料策略，为推进柔性、可穿戴能量收集器和自供电传感器的发展提供了有前景的途径，在可穿戴电子设备和声学传感技术领域具有重要应用价值。

文章信息

期刊：Advanced Functional Materials

题目：Improved Formation of Polar Phase in P(VDF-TrFE) Through Adding Piezoelectric Metal Halide TMCM-CdBrCl2

作者：Zhuo Zhang, Rui Wang, Yong-Ji Gong, Chen Zhao, Zhi-Gang Li, Wei Li, Xian-He Bu

发表日期:14 March 2026

原文链接：https://doi/10.1002/adfm.74929