聚合物材料的案例
高于金屬強度的聚合物復合材料減輕飛機重量
Kepman為首的羅蒙諾索夫莫斯科國家大學的科研團隊正在開發結構性聚合物復合材料以用于車輛部件及航空航天工業的結構性零件的生產。此類零部件對材料要求更加嚴格，需要高性能聚合物復合材料。研究人員已經在雜志《應用聚合物科學》上發布了他們的項目成果。材料結構以聚合物為基質，并包含一種獨立的其他加強材料（填料）。舉例來說，在碳纖維增強復合材料中（CFRP），碳纖維是作為一種加強材料存在的，而聚酯或環氧樹脂，雙馬來酰亞胺，聚酰亞胺等其他聚合物構成基質。
一架現代飛機，比如“夢幻飛機”波音787包含50%的聚合物復合材料。一架戰斗機，比如歐洲臺風戰斗機包含70%的聚合物復合材料。開發中的耐高溫聚合物復合材料有朝一日將取代現有發動機里的金屬部件（如低壓噴氣式壓縮機葉片）或超音速飛行器的外殼。
化學家在以二肽腈單質為啟始材料的聚合物材料分子設計中采用了一種新方法，他們創造新材料的同時也改進了制備方式，這種方法不同于大多數現行的肽腈法，可被用于以注射法更經濟的生產CFRP。此法可以最少的零部件組裝數量生產高強度復雜外形的CFRP。
鈦合金或鋁合金的單克價格遠低于同樣重量的這種復合材料。不過，據研究員Boris Bulgakov介紹，生產和維護大型復雜外形的聚合物復合材料部件則要遠遠便宜于合金。這種性價比優勢產生于大幅下降的組裝工序人工成本，以及碳纖維結構的高強度水平。
Boris Bulgakov解釋說“比如，一張聚合物復合材料機翼是由10塊部件固定在一起，那么同樣的金屬機翼就需要100塊零件，這意味著金屬機翼的生產成本更高。而且CFRP的強度是鋁合金的6到8倍，而密度則比鋁合金輕1.5倍。”
聚合物復合材料正被廣泛應用于高檔汽車、F1方程式賽車、飛機和航天飛船的生產。飛機重量減輕可使燃油消耗減少，有效負重加大。因此聚合物復合材料的高生產成本由低油耗及高載重所補償。
展開 寧波材料所在短切碳纖維增強聚合物材料導熱性能方面取得進展
短切碳纖維是由碳纖維長絲經纖維短切而成，相較于碳纖維長絲可以更均勻地分散在基體材料中。短切碳纖維不僅具有超高的機械強度、較低的密度及良好的熱穩定性，而且是一種性能優異的導熱材料，是提高聚合物材料導熱性能的理想導熱填料。但是，一維材料存在嚴重的導熱各向異性，如何充分控制短切碳纖維在聚合物基體材料中呈豎直取向，從而充分利用碳纖維的軸向高導熱性能得到具有優異縱向熱導率的復合材料是研究的關鍵。常用的方法是通過對短切碳纖維施加外電場，使碳纖維沿豎直方向取向。但是這種方法需要較強的電場強度且工藝較為復雜，另外復合材料厚度受限于纖維的長度，較難得到厚度適宜的導熱復合材料。
鳳凰供應環氧樹脂https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/48338.html
基于上述問題，中國科學院寧波材料技術與工程研究所表面事業部功能碳素材料團隊通過利用單軸溫度場下冰晶的定向引導作用，使得短切碳纖維沿豎直方向取向，得到了具有“微蘆葦叢”結構的碳纖維多孔泡沫，其制備流程和微觀結構如圖1所示。“微蘆葦叢”結構充分利用碳纖維的軸向高導熱增強聚合物材料的導熱性能。該方法制備的復合材料的熱導率高達6.04 Wm-1.K-1，并且得到的復合材料具有良好的柔順性，有望代替傳統的聚合物材料解決電子電氣設備的散熱問題。
相關工作已發表在化工領域的核心期刊（Chem. Eng. J., 2019, 375, 121921），并獲得國家自然科學基金（51573201和U1709205）、浙江省公益技術應用研究計劃（2016C31026）和3315創新團隊等項目資助。
展開 俄羅斯研發出聚合物復合材料合成新方法
俄羅斯科學院西伯利亞分院催化研究所在采用含鈦催化劑合成聚乙烯的聚合工藝過程中直接添加碳納米管，所獲得的聚合物復合材料中碳納米管分布均勻，具有強度高、抗輻照和低溫老化的性能特點。相關成果發布在《Composites Scienceand Technology》期刊上。
該技術基本工藝過程是，先在多層碳納米管的表面固定含有氯化鈦的聚合催化劑的納米顆粒，再將處理后的碳納米管置于反應釜中進行乙烯聚合以形成聚合復合材料。從熔融態乙烯轉變成固態聚乙烯的過程中會形成由非晶態分子聯接的晶體單元，晶體單元越多，則聚合物材料的密度越高，相應材料的剛性、拉伸強度和對化學物質作用的穩定性越高。聚合物材料的Ｘ射線相分析發現，碳納米管是乙烯聚合化的中心，晶體形成的觸發和生長首先是發生在納米管表面，之后深入到聚合物的其他部位。https://m.hongyantu.com/goodlist/sz/48397.html
進一步的研究發現，碳納米管上生成晶體單元的量直接取決于復合材料中納米管的含量，只有在多層碳納米管含量高的情況下才能得到大量的晶體，并且碳納米管可作為晶體定向晶種決定聚乙烯鏈的方向。此項成果可用于特定功能聚合物材料的制造，賦予材料新的特定性能。科研人員計劃下一步開始項目的中試生產。
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展開 溫敏聚集誘導發光聚合物本體材料
來源：高分子科學溫敏熒光聚合物是指熒光強度或波長隨溫度變化而發生顯著變化的新型功能聚合物材料，可廣泛應用于智能器件、記憶材料等領域。已報道的溫敏熒光聚合物主要集中于水溶性聚合物，如聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)，利用PNIPAM水溶液的溫度響應實現聚合物材料熒光的溫敏特性。然而，聚合物材料大多以固體形態使用，開發新型溫敏熒光聚合物本體材料具有重要意義。
基于以上背景，中山大學材料科學與工程學院梁國棟教授課題組將結晶-熔融相轉變引入溫敏熒光聚合物本體材料的設計之中。通過聚合物的結晶-熔融轉變實現聚合物本體的溫敏特性，采用后修飾的方法在聚合物鏈中引入聚集誘導發光(AIE)生色團，合成了聚集誘導發光基團修飾的結晶性聚酯材料PCB-TPE，對PCB-TPE的熒光-溫度響應行為進行了系統研究。
PCB-TPE在良溶劑(THF)中熒光很弱，但在劣溶劑(水)中發射藍色熒光，表現為典型的AIE特性。
圖1. PCB-TPE在不同THF/H2O溶劑比例下的(a)熒光譜圖和(b)熒光強度值隨水含量的變化關系圖
該聚合物在溫度為-10~60 °C的區間內具有肉眼可見的熒光強度變化。升溫過程中(圖2)，熒光強度隨溫度的升高而下降，-10 °C下熒光強度為60 °C下的35倍。在低溫下，聚合物結晶，AIE生色團的分子內運動受到限制，熒光強度高；溫度升高后，聚合物晶體熔融，分子鏈運動能力增強、自由體積增加，AIE生色團的分子內運動逐步“解凍”，消耗了激發態能量，導致聚合物熒光強度顯著下降。
圖2. 升溫過程中(a)熒光光譜和(b)DSC曲線及470 nm處熒光強度隨溫度變化關系圖
降溫過程中材料的熒光變化趨勢正好與升溫過程相反(圖3)。
展開 
改性聚合物復合材料讓安全事故無處遁形
但國內現有的材料含有一些歐盟法規禁用的物質，一旦燃燒過程中煙密度大，且易產生有毒氣體。項目組研發的高氧指數、低煙密度無鹵阻燃聚合物，彈性體滿足歐盟法規要求，其阻燃和力學性能甚至超過德國和美國著名產品。
又比如無線通信所用的基站，其射頻天線需要天線罩的保護，免受紫外線、風雨、溫度的影響。項目組研發的材料能承受80攝氏度溫度，抗紫外線、耐老化、抗風等功能強大，適合長期在戶外使用，并且還是可循環使用的環保材料。要提升聚合物復合材料的性能（韌性、剛性、強度等）和功能（阻燃、耐寒、耐高溫、回彈性、密封性等），就需要在聚合物中加入不同的物質。加什么？怎么加？如何使這些物質在聚合物中的分布、物質間的磨損消耗等朝著項目組設計的方向發展？項目組經過了十多年努力，終于找到了“秘方”：界面增容、多相協同、成型設備結構設計與工藝優化，一共3個突破點，最終發明了系列具備高性能和特定功能的無機改性聚合物材料與制品。李春忠表示，未來的競爭是材料的競爭。港珠澳跨海大橋、貴州“天眼”大口徑射電望遠鏡……建設這些“超級工程”，先進材料功不可沒。企業掌握功能強大的先進材料，往往能在市場競爭中輕松勝出。據介紹，華理團隊的“改性”材料中，還包括一種聚酰胺材料，它具有很高的剛性和長期耐熱性，滿足了起動機齒輪高剛性、耐熱、耐磨的要求，可以替代金屬齒輪。這對汽車輕量化是一大利好，也能更好地節約能源。另一種PBT/PET/雜化增強體復合材料由于具有優異的耐熱性和力學性能，部分指標超過了國外同類產品，已在中高檔國產轎車中應用。
復合化是材料發展的必然趨勢之一。聚合物基復合材料是目前用量最大的品種。李春忠教授堅定認為，他們會在新材料的研發之路上不懈奮進，開發新的功能特性，滿足人們生產生活的需求。
展開 中山大學梁國棟教授課題組：溫敏聚集誘導發光聚合物本體材料
溫敏熒光聚合物是指熒光強度或波長隨溫度變化而發生顯著變化的新型功能聚合物材料，可廣泛應用于智能器件、記憶材料等領域。已報道的溫敏熒光聚合物主要集中于水溶性聚合物，如聚(N-異丙基丙烯酰胺)(PNIPAM)，利用PNIPAM水溶液的溫度響應實現聚合物材料熒光的溫敏特性。然而，聚合物材料大多以固體形態使用，開發新型溫敏熒光聚合物本體材料具有重要意義。
基于以上背景，中山大學材料科學與工程學院梁國棟教授課題組將結晶-熔融相轉變引入溫敏熒光聚合物本體材料的設計之中。通過聚合物的結晶-熔融轉變實現聚合物本體的溫敏特性，采用后修飾的方法在聚合物鏈中引入聚集誘導發光(AIE)生色團，合成了聚集誘導發光基團修飾的結晶性聚酯材料PCB-TPE，對PCB-TPE的熒光-溫度響應行為進行了系統研究。
PCB-TPE在良溶劑(THF)中熒光很弱，但在劣溶劑(水)中發射藍色熒光，表現為典型的AIE特性。
圖1. PCB-TPE在不同THF/H2O溶劑比例下的(a)熒光譜圖和(b)熒光強度值隨水含量的變化關系圖
該聚合物在溫度為-10~60 °C的區間內具有肉眼可見的熒光強度變化。升溫過程中(圖2)，熒光強度隨溫度的升高而下降，-10 °C下熒光強度為60 °C下的35倍。在低溫下，聚合物結晶，AIE生色團的分子內運動受到限制，熒光強度高；溫度升高后，聚合物晶體熔融，分子鏈運動能力增強、自由體積增加，AIE生色團的分子內運動逐步“解凍”，消耗了激發態能量，導致聚合物熒光強度顯著下降。
圖2. 升溫過程中(a)熒光光譜和(b)DSC曲線及470 nm處熒光強度隨溫度變化關系圖
降溫過程中材料的熒光變化趨勢正好與升溫過程相反(圖3)。當溫度低于結晶溫度，聚合物開始結晶、分子鏈運動能力下降、自由體積減少，AIE生色團的分子內運動逐漸受限，熒光強度逐漸增強。
展開 導熱聚合物材料的發展趨勢：關鍵因素、進展與展望
圖1.熱界面材料(TIM)的工作機理示意圖。
TIMs的理想特性包括厚度、高導熱系數和低接觸熱阻。目前，TIMs主要是聚合物基復合材料，制備簡單，價格低廉。為了最大限度地減少導熱顆粒對聚合物性能的影響，可以使用預先構建的導熱結構來制備先進的聚合物基TIMs，以確保有利的顆粒分布并在聚合物基質中形成相互連接的網絡。TIMs的電氣絕緣性、機械強度、長期穩定性和阻燃性也是其實際應用需要考慮的因素。聚合物復合材料具有柔韌性好、密度低、絕緣性好、成本低、耐腐蝕、易加工等優點，作為熱管理材料廣泛應用于各種場合。然而，聚合物基體由于其固有的無定形排列的分子鏈，在一定程度上限制了其在熱管理中的應用。對于大多數聚合物來說，聲子熱傳導是主要的熱傳導途徑。由于聚合物中大分子鏈的無定形結構和振動會引起大量的聲子散射，絕大多數整齊聚合物是隔熱體或相對較差的熱導體(值為0.1-0.5 W/mK)。目前，提高其導熱性能的策略有兩種:（1）通過設計和改變分子和鏈鏈的結構來改善聚合物鏈的取向和結晶度;（2）與導熱填料復合。策略1和策略2分別稱為固有導熱聚合物和填充導熱聚合物。策略1相對復雜且耗時，而策略2被認為是一種更高效、更方便的方法。
導熱聚合物復合材料具有加工方便、成本低、易于產業化等優點，在能源、電子封裝、電氣設備、航空航天等工業領域得到了廣泛的應用。然而，對熱傳導的基本認識和熱傳導的宏觀/微觀調控策略的發展仍然相對欠。界面熱阻是熱流通過兩相接觸界面時產生的附加熱流阻力，它在復合材料的整體傳熱能力中起主導作用。界面熱阻的研究主要基于連續介質理論和原子理論。
展開 上海交通大學江平開團隊在導熱絕緣聚合物材料研究獲得新進展
聚合物在電力設備及電子器件中被廣泛用作絕緣材料，但大部分聚合物材料導熱系數低，嚴重制約了各種設備熱管理能力的提升。所以，絕緣聚合物材料的熱管理能力的提升在相當程度上決定了電力設備及電子器件的技術水平。為解決這一問題，傳統的方式是通過在聚合物中添加大量無機、金屬或碳類導熱填料增強材料的熱傳遞性能。但這一方法同時會犧牲聚合物材料的絕緣性能、機械性能及加工性能。因此，在低填充下實現高效熱管理能力是國際導熱絕緣材料研究領域中的一大難題。
近期，上海交通大學上海市電氣絕緣與熱老化重點實驗室江平開教授團隊在ACS Nano上發表題為“Highly Thermally Conductive Yet Electrically Insulating Polymer/Boron Nitride Nanosheets Nanocomposite Films for Improved Thermal Management Capability”的文章，報道了利用高壓靜電紡絲法制備面內取向、互相連接、結構可控的二維氮化硼納米片(BNNS)結構，成功在低填充下同時實現聚合物絕緣材料導熱系數的高效增強以及材料絕緣性能的明顯提高。
江平開教授團隊多年來致力于導熱絕緣材料的應用基礎研究，該文的發表是繼該團隊近年在《Advanced Functional Materials》、《ACS Applied Materials & Interfaces 》等雜志發表導熱絕緣研究論文后的又一次重要進展。
首先進行PVDF和BNNS的混合溶液制備，在選用較優的比例下進行靜電紡絲制得取向排列且互相連接的BNNS 聚合物復合纖維。
展開 港中深朱世平和張祺團隊AFM：遇水變硬的新型智能聚合物凝膠
近年來，具有可變機械性能的響應性聚合物材料因其在軟機器人、人造肌肉、智能電子等領域中的應用潛力而得到快速發展。在已有的報道中，響應性聚合物材料可以利用各種刺激來實現可切換的模量變化，而水作為綠色可利用的環境資源，具有儲量廣泛、無能源成本以及條件溫和等特點，在作為刺激源方面具有顯著優勢。然而，傳統的聚合物材料通常會由于水的塑化作用而表現出水致變軟的現象，極大地限制了其在高濕度或水系環境中的使用。因此，開發具有遇水變硬的聚合物材料將有利于拓展水響應性聚合物材料的選擇和應用，但同時也極具挑戰性。
香港中文大學（深圳）理工學院朱世平和張祺團隊報道了一種前所未有的聚合物凝膠材料，該材料在相分離的基礎上表現出顯著且可逆的水致硬化現象，這完全不同于因為水的增塑作用而導致軟化的傳統聚合物材料。這種材料在遇水后的楊氏模量表現出很大的變化（最高達104倍），遠大于玻璃化轉變引起的變化，與結晶-熔化過程相當。此外，在可逆的軟-硬轉變過程中，其體積幾乎保持不變。作者系統研究了組分對模量變化的影響，表征了水致硬化過程中的相分離機制，提出并驗證了水致硬化的通用方法，最后將這種材料應用于濕度誘導的形狀記憶。這項工作為開發水致硬化材料提供了一種有效的方法，并將為水響應聚合物材料的潛在應用鋪平道路。該研究以 “Dramatic and Reversible Water-Induced Stiffening Driven by Phase Separation within Polymer Gels”為題發表在《Advanced Functional Materials》上。
水驅動的相分離是開發水致硬化聚合物材料的關鍵。
展開 《自然·通訊》中山大學陳永明和劉利新團隊在聚合物材料抑制類風濕性關節炎的研究中取得重要進展
中山大學材料科學與工程學院功能生物醫用材料團隊陳永明和劉利新團隊利用陽離子聚合物材料結合游離核酸，發現聚合物材料可以抑制患者自身游離核酸引起的原代細胞炎癥反應，觀察到納米材料可以通過炎癥導致的高血管通透性富集到動物模型關節部位，從而顯著抑制關節的腫脹、骨和軟骨的破壞，并且恢復動物活動能力。研究發現，陽離子聚合物納米粒子cNP與cfDNA的結合能力強，能很好地抑制cfDNA對免疫細胞TLR9的激活，能有效抑制cfDNA引起的RA病人關節積液單核細胞及滑膜樣細胞的炎癥反應。對慢性大鼠關節炎模型進行靜脈注射cNP以后，其關節中的積液及軟組織的水腫顯著減少，關節骨質破壞程度降低，關節滑膜處的炎癥細胞浸潤變少，說明cNP對于類風濕性關節炎有明顯的療效。治療后模型大鼠的行動力得以恢復，表明cNP還能有效解決RA后期面臨的關節僵硬而行動不便的問題。
圖1. cfDNA引起關節腔炎癥反應和聚合物抑制免疫反應的原理示意圖。
圖2. cNP治療后大鼠模型的軟組織（a. 后掌MRI影像）、骨質量（b. 踝關節microCT影像）和炎癥浸潤改善（c. HE染色）的結果。
這是在國際上首次利用材料清除游離核酸機理治療類風濕關節炎的研究報道，展現出聚合物材料可望作為“藥物”治療類風濕關節炎，可望作為一種全新的治療策略來治療類風濕性關節炎。該研究成果已經申請發明專利，具有自主知識產權。相關成果以“Cationic Nanoparticle as an Inhibitor of Cell-Free DNA-Induced Inflammation”為題，于2018年10月16日發表在國際著名學術期刊Nature Communications。
展開 Rev.》綜述: 儲能電容器用全有機聚合物介電材料的進展與展望
2021年12月23日，清華大學電機系先進能源電工材料與器件實驗室（AEEMD）黨智敏教授團隊在國際頂級期刊Chemical Reviews（影響因子60.622）發表題為Recent Progress and Future Prospects on All-Organic Polymer Dielectrics for Energy Storage Capacitors綜述文章，總結了電容器用全有機介質薄膜材料以及相關計算策略的研究進展。
圖1 圖片摘要
聚合物基儲能電容器因其具有極高的功率密度，已廣泛應用于現代電子電氣系統，如分布式電源系統、大功率脈沖應用、微波通信、電動汽車、地下油氣勘探等。為了提高聚合物薄膜電容器的能量密度，研究人員提出了許多策略，包括無機/有機復合材料、核殼結構填料和多層結構的復合材料。然而，上述實驗室制備的聚合物基復合材料由于工藝復雜、機械性能差等限制，目前還無法滿足實際工業生產的要求。與受到廣泛關注的聚合物納米復合材料相比，全有機聚合物已被證明是大規模工業化生產過程中更有效的選擇。此外，隨著電容器的工作環境越來越復雜，例如5G通信要求更高頻率的工作環境，這對聚合物基電容器的性能，尤其是耐熱性提出了更高的要求。然而，目前的商用薄膜電容器由于其固有的熱穩定性較差，無法在沒有冷卻系統的情況下滿足苛刻的溫度要求，因此迫切需要具有優異耐高溫性能的聚合物材料。此外，結合高通量計算和材料數據庫技術的計算機輔助計算已應用于聚合物電介質設計，以有效地尋找具有高介電常數、高帶隙和耐高溫性的理想全有機聚合物。
展開 
《自然·化學》中科院化學所提出“介觀聚合物”新材料體系
紫外可見吸收光譜(UV-vis)和紫外光電子能譜(UPS)揭示：meso-DPPBTz比對應的聚合物poly-DPPBTz具有更寬的帶隙和更深的LUMO能級，是一種潛在電子和雙極性傳輸半導體材料。
進一步，研究人員通過DArP聚合方法合成了一系列基于不同結構基元的介觀聚合物，并對這些材料性能進行了系統的表征。在柔性頂柵場效應管的器件評估中，研究人員發現介觀聚合物電子傳輸能力遠超傳統聚合物（最大性能提升比達124倍）。由于介觀聚合物具有適中的分子量，溶解性和粘度特性，在大面積可溶液加工制備器件方面展現了潛在的應用。譬如，基于該類材料噴墨打印法制備的場效應晶體管器件性能是目前報道的該類器件最優性能之一。
作為一類新型共軛半導體，介觀聚合物有望克服傳統共軛材料的不足，實現功能方面的突破。介觀聚合物新概念材料的提出，將進一步豐富有機材料體系的內涵，推動有機光子學、生物傳感、生物檢測等相關領域的研究。該研究工作近期發表在Nature Chemistry雜志上（Nature Chem. 2019, DOI：10.1038/s41557-018-0200-y）。
來源：中科院化學所
展開 日本致力于開發聚合物新材料以實現汽車輕量化
京大學教授伊藤耕三在東京都召開記者會時自信地表示:我們希望在9月發布一款迄今為止從未出現過的、由高性能聚合物材料生產的汽車。”
伊藤教授等人從2014年開始參與政府的科研項目。在研究名為“堅硬聚合物”的新材料的過程中，不斷有新成果問世。塑料制品和膠片中使用的樹脂，以及輪胎或者減震器中使用的橡膠都屬于聚合物。現有的汽車出于安全性和耐久性考慮，主要使用鐵玻璃等堅硬材料。如果用塑料替換這些材料，車身重量就能大幅降低。
研發工作進展最快的是車窗。負責相關研究的住友化學公司團隊經理笠原達也干勁十足。他表示希望用樹脂代替汽車上的金屬和玻璃。隨著車身重量降低，油耗也將減少。如果用透明樹脂制作前擋風玻璃，司機視野將會更開闊，安全性也更高。
研究團隊關注的是堅硬但易壞的聚甲基丙烯酸甲酯(俗稱有機玻璃)和不易壞且更具韌性的聚碳酸酯。研究人員結合兩者的優點制造出了高強度的透明樹脂。該透明樹脂在前擋風裝置強度試驗中沒有碎裂。目前這種材料已經有了實用化的趨勢。笠原經理說，已經有國內汽車企業前來咨詢。目前的問題出在安全性規則上。在現有制度下，汽車的前擋風裝置只允許使用玻璃制造。伊藤教授說:“一旦人們了解了透明樹脂的強大性能，規則將會有所調整。”
東麗公司也在致力于實現汽車的輕量化。他們研發出將聚輪烷摻入樹脂從而提高其強度的技術。由此產生的新材料的張力是此前的8倍，彎由強度則達到了50倍。如果將該技術應用在玻璃纖維上，不僅可以用來生產防爆玻璃，還可以與碳素纖維相結合制保了汽車的輕量化與耐久性。
伊藤教授表示，聚合物材料可以在汽車研發領域發揮重大作用。很多國家已經在研究禁止銷售燃油汽車，研發電動汽車的競爭勢必愈發激烈。人們現在需要改進的不只是電池和發動機。旦用聚合物材科生產出更輕的汽車，人們還將提高汽車的續航能力和運動性能。在研發空中飛車方面，實現輕量化顯得更加重要了。
展開 北京大學裴堅-王婕妤和化學所朱道本-狄重安合作：聚合物熱電材料最新研究進展
有機聚合物熱電材料因其低熱導率、可溶液加工、以及輕薄柔性等特點在下一代熱電器件中有巨大的應用價值。近年來，以聚(3,4-二氧乙撐噻吩)為代表的p型聚合物熱電材料的研究取得了重大的進展，其熱電性能可以媲美性能優異的無機熱電材料。然而，聚合物熱電器件中不可或缺的另一半 — n型聚合物熱電材料，其研究進展較為緩慢，熱電性能普遍低于p型熱電材料。如何通過n型聚合物分子結構的改進來提高熱電性能是聚合物熱電材料領域研究的關鍵。
圖1 半導體材料的熱電效應以及利用熱電效應工作的兩類熱電器件：溫差發電機和主動制冷器。
北京大學化學與分子工程學院裴堅-王婕妤課題組與中科院化學所朱道本-狄重安課題組合作設計發展了給體片段以氟原子修飾的n型給受體聚合物熱電材料，利用聚合物鏈間的給受體相互作用維持聚合物的電子遷移率，通過引入氟原子增加聚合物的電子親和性以提高n摻雜效率，兩者的協同作用大幅度提高了聚合物的n型電導率。通過進一步提高聚合物的塞貝克系數，成功地將n型給受體聚合物的熱電性能提高了三個數量級。
聚合物的分子結構如圖2所示。在給體片段上引入氟原子降低了聚合物的前線軌道能級，同時可以在聚合物分子主鏈中引入多重氫鍵相互作用，以增加聚合物骨架的剛性、提高聚合物的鏈內電荷傳輸能力。摻雜后，引入氟原子的聚合物的n型電導率提升至1.3 S/cm，功率因子提升至4.6 μW/mK2，是目前n型給受體聚合物熱電材料的最佳性能。
圖2 “給體修飾”n型給受體聚合物的化學結構和熱電性能。
圖3 摻雜聚合物的熱電性能。(a) 電導率；(b) 塞貝克系數；(c) 功率因子。相比未取代的聚合物，氟原子取代的聚合物的最大電導率和功率因子均提高了1000倍以上。
展開 李光林、李良彬、胡金蓮、邰艷龍《Matter》綜述：反常熱膨脹聚合物感知材料與交互器件
TOC 基于反常熱膨脹聚合物網絡的柔性感知及交互系統
隨著生物傳感與人工智能及信息技術的集成，熱響應柔性感知材料與器件在面向國家戰略需求的航空航天和軍事工業，特別是近年來興起的電子皮膚、人工肌肉、可穿戴醫療、軟體機器人、混合現實等眾多民用消費電子領域應用前景廣闊。其中，通過聚合物材料反常熱膨脹行為調控的柔性感知器件研究領域取得巨大進展，但仍缺少全面的理解及系統的總結。基于此，該綜述以差異化感知為突破口，提煉出基于熱膨脹聚合物調控策略的正、負、各向異性、可調控和零熱膨脹等系列化、邏輯性、特征感知單元；歸納相應聚合物材料的設計思路及調控機制；系統總結感知單元在2D響應傳感器、3D到4D響應致動器，柔性不敏感器件等交互系統中的應用進展。此工作從單一感知單元到整體感知系統，從微觀材料調控到宏觀器件響應，將對提高此類材料的基本理解和實際應用具有積極指導意義。
圖1 用于柔性感知器件的反常熱膨脹聚合物、感知單元及膨脹機理
高分子材料由于其各尺度結構的變化，包括微觀分子動能、分子間相互作用、構型與構象轉變、相轉變，到宏觀如折紙、剪紙結構的變化等，使其具備差異性熱膨脹行為（從正到負的熱膨脹系數，圖1)。因此，研究不同結構尺度的調控策略(圖2)對理解作用機理、開發新材料和進一步探索應用具有重要意義。
圖2 不同尺度的熱膨脹系數調控目標及調控策略
對于構筑聚合物超正熱膨脹（如超分子聚合物，~ 980 ppm K-1）、負熱膨脹（如具有DBCOD單元的非晶態聚合物，~ -2,350 ppm K-1），眾多策略已被提出且直接關聯柔性感知（傳感與致動）。
展開 