聚合物基压电材料广泛应用于微纳能源收集、柔性电子等领域，然而传统PVDF压电聚合物压电系数仅为-24 pC/N，严重制约了其实际应用。通过化学改性的方法能够较好的提升其压电系数（-63.5pC/N），但成本较高，不利于大规模生产；而压电纳米粒子与聚合物物理共混的策略虽然工艺简单，但压电系数的提升往往十分有限（-33 pC/N）。因此，迫切需要发展一种简单高效且能有效增强压电系数的策略来突破当下的困境。

针对该问题，西南交通大学杨维清教授团队报道了一种基于微电容增强聚合物基复合材料压电系数的策略。作者在PVDF基体中通过刮涂的工艺构筑平行排列的二维MXene片，利用MXene片的高比表面积形成大量界面微电容，引入界面极化增强体系的介电常数从而提升压电系数，所制备的复合膜压电系数高达-63.3 pC/N，且刮涂工艺简单，有望突破大规模制造的瓶颈，实现压电复合材料的实际应用。此外，作者发现压电系数随着MXene含量的提升表现出反常的下降趋势，进一步研究MXene/PVDF复合体系中存在的渝渗效应，指出MXene形成的界面极化与导电网络导致的介电驰豫之间存在矛盾关系，并构建了复合体系的压电模型来描述这一现象，归纳出压电复合材料的设计原则，有望为后续复合材料体系的设计提供新思路。相关研究成果以“Dielectric micro-capacitance for enhancing piezoelectricity via aligning MXene sheets in composites”为题在线发表在Cell Reports Physical Science上，材料学院博士研究生田果、熊达，邓维礼副教授为论文的共同第一作者。

图1. (A)介电微电容增强压电性原理图；(B)刮涂构建平行取向MXene片示意图；(C)器件结构示意图；(D-F)MXene片平行排列结构的实验表征。

作者通过刮涂的方式构建MXene片平行排列的压电复合材料，利用介电微电容提升压电响应，并结合纳米CT及扫描电子显微镜表征了MXene片在聚合物基体中的平行取向结构，验证了刮涂工艺的有效性及微电容的成功构筑。

图2. (A-C)不同MXene含量下的介电常数、压电系数及器件电压响应；(D)渝渗体系示意图；(E-F)渝渗体系的实验表征。

从MXene/PVDF复合体系介电性能及压电性能随MXene含量变化结果可以看出，界面极化极大的提升了器件的压电系数，但随着含量的进一步增加，压电系数及电压响应表现出反常的下降趋势。随后，研究者通过渝渗理论解释了这一现象，MXene含量超过某一阈值时，形成了连续的导电网络，界面极化电荷会发生驰豫，致使了最终压电性能的衰减。

图3. (A)压电复合器件等效模型；(B-C)器件电压响应对MXene含量的依赖性；（D-F）器件电压、电流及功率响应与等效MXene含量的参数扫描模拟结果。

更进一步，作者构建了压电器件的模型来等效描述MXene在复合体系中的界面极化及介电驰豫，并通过参数扫描的方式模拟了器件在不同MXene含量下的压电电压、电流及功率响应，得出了理论上的设计原则，有望指导压电复合材料的设计。

作者简介：

杨维清，西南交通大学材料科学与工程学院教授/博导，四川省杰出青年，主要从事纳米能源材料与功能器件的应用基础研究。近年来，在Adv. Mater., ACS Nano，Nano Lett., Adv. Funct. Mater. 等国际著名刊物上发表SCI收录论文共计190余篇，ESI高被引论文18篇，引用8500余次。所做工作被美国知名网站Newscientist，CCTV等近20家媒体专题报道，受到法国路透社，中国科学网、中国储能网、中国网、新华网、人民网、凤凰网等多家国内外媒体关注。团队长期欢迎对多功能敏感材料及功能器件感兴趣的学生报考研究生（团队主页https://faculty.swjtu.edu.cn/yangweiqing/zh_CN/index/128089/list/index.htm）。

论文信息：

Dielectric micro-capacitance for enhancing piezoelectricity viaaligning MXene sheets in composites. (Cell Reports Physical Science, 2022)

原文链接：

https://doi.org/10.1016/j.xcrp.2022.100814