武汉纺织大学考研，武汉纺织大学考研招生简章
具有温敏特性（例如明显的介电双稳态）的热响应介电材料在新型智能电子设备具有潜在应用价值，例如新型温度传感器、智能开关、移相器和变容二极管。目前，该领域的研究主要集中在分子铁电晶体和主客体多孔分子晶体。尽管这些材料具有特殊的介电性能，但其相对较低的切换比、多步复杂合成、介电响应温度难以调节，以及这些材料在力学性能方面的固有缺陷，使其成为其潜在应用的主要障碍。除上述分子晶体外，非自支撑固/液相变混合物或纳米复合材料是另外一类潜在的可切换电介质，其具有高切换比、双稳态、可控响应温度和窄响应温度范围。它们的进一步开发和应用仍然面临着巨大的挑战，其主要问题是力学性能差、制备工艺复杂、缺乏自支撑性、循环稳定性不足。
鉴于此，武汉纺织大学姜明副教授团队提出了一种设计热响应介电切换材料的新策略，基于界面结构演化引起的介电切换机制，实现了介电切换性能、出色的力学性能和良好的循环稳定性在离子凝胶上的集成。该离子凝胶可以轻松实现可逆介电双稳态、高于150的高介电开关比、约15°C宽的热滞回线和可调控的室温介电转变行为、优异的高延展性、高力学强度，以及承受至少1000次循环的高稳定性。这种一体化设计增强了介电切换凝胶对多种应用场景的适应性、耐用性和使用寿命。其简单的制造工艺和可回收的热塑性塑料系统，有助于节省成本和能源，该研究为构建理想的热响应介电开关材料提供了一种可行且可持续的策略。该研究以题为“Ultra-Tough Room-Temperature Dielectric Switching Ionic Gels with Long-Cycle Stability”的论文发表在最新一期《 Advanced Functional Materials》上。
【SOTG的制备、结构及其介电开关行为】
作者提出的这种自支撑介电可开关凝胶，是通过界面演化引起的温度敏感界面极化和离子渗透来产生显着的介电行为变化。为了赋予其优异的力学性能、提高其与十八烷的良好混溶性和可回收性，作者选择苯乙烯-乙烯-丁烯-苯乙烯嵌段共聚物（SEBS）作为离子凝胶的基质材料。将一种油溶性离子液体三己基十四烷基鏻双(2,4,4-三甲基戊基)次膦酸盐(TPBP)与SEBS和十八烷溶液混合，得到SEBS/十八烷/TPBP离子凝胶(SEBS/octadecane/TPBP ionic gel，SOTG)。
SOTG中热触发的界面演化如图1a所示。实验结果表明SOTG的介电开关行为可归因于界面结构演化诱导的竞争共存的双重机制。该SOTG具有独特的介电双稳定性（图 1b）。介电异变发生在27.95 °C和33.01 °C之间。SEBS和十八烷的分子结构都是非极性的，因此低分子偶极矩决定了它们的介电常数随温度变化不大。
图1. SOTG的介电开关行为。
【SOTG的双稳态介电行为和稳定性】
图2a展示了SOTG的介电常数与温度的关系。在不同温度下，SOTG表现出两种不同的介电状态，分别为低于28 °C的高介电状态和高于33 °C的低介电状态（图 1b）。这两种介电状态分别表示为状态I和状态III。28 °C和33 °C之间的过渡态称为状态II。
当温度降至介电转变温度以下时，由于十八烷结晶，大部分TPBP积累到晶界。在这种情况下，电荷载体优先沿晶界通道传输。在高频下，TPBP分子不能及时响应交流电场的变化；沿晶粒边界形成的离子传导路径有助于低温下的高电导率。随着温度的升高，晶体结构和离子传导路径被破坏，导致系统的电导率下降。而在低频下，TPBP分子可以及时响应交流电场的变化。虽然沿晶界的载流子传输通道仍然存在，但电导率主要取决于自由扩散的离子。因此，电导率在低频下低于介电转变温度时相对较低。同时，晶体结构的破坏使 TPBP 在更高的温度下具有更高的迁移率。因此，状态III中TPBP的离子迁移率远大于状态 I，从而产生更高的电导率。
SOTG具有宽滞后回线和长周期稳定性。图 2f显示了在不同的高介电状态和低介电状态之间的可逆介电开关，在0.1 Hz加热和冷却时，在室温附近具有约15°C宽的热滞回线。SOTG在熔化和冷却时的高、低介电状态基本保持不变，表现出良好的循环稳定性。
图2. SOTG的介电切换比、介电切换温度和循环稳定性。
【SOTG的力学性能】
最后，作者展示了SOTG优异的力学性能。在TPBP含量高于 20 wt.% 的情况下，SOTG能保持约3000%的高断裂伸长率，而拉伸强度和韧性分别达到2.99 MPa和21.67 MJ m -3（图 3），这表明SOTG 在具有良好力学性能的同时，还保持这高介电转换性能，远高于的先前报道（图 4）。一方面，其出色的力学性能主要归功于SEBS基质固有的优异性能。另一方面，由于SEBS链之间的强相互作用，机械应力能够通过十八烷在SEBS链之间部分转移，尤其是在状态 I 中。
图3. SOTG的力学性能。
图4. SOTG与代表性介电切换材料或离子凝胶之间的性能比较。
【小结】
该工作基于由界面结构演变引起的全新双重切换机制，开发了一种具有显着介电开关性能和力学性能的热响应介电开关材料。由热致相变引起的界面结构的形成和坍塌导致界面极化和离子渗流的剧烈变化，最终引起明显的介电双稳态。除了独特的介电双稳定性、超过 150的高介电转换比、约15°C的宽热滞回线和可调节的室温介电转换行为外，凝胶还表现出高韧性、高弹性的出色组合，对超过1000次循环的重复温度循环具有极高的稳定性。这种通过简单的制造工艺和可回收的热塑性塑料系统的一体化设计增强了介电切换凝胶对多种应用场景的适应性、耐用性和使用寿命。该工作为开发用于未来智能电子应用的介电切换材料提供了一种新的设计策略。
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文章链接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/adfm.202207452
来源：高分子科学前沿
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