压电和铁电聚合物因具有比压电陶瓷更高的压电电压敏感性,较高的介电击穿强度,更低的密度,容易大面积加工,可剪裁成为复杂形状,可以在薄膜表面形成电极和选择性区域极化等诸多优点,在换能器、传感器和驱动器中得到十分广泛的应用。然而对于传统铁电聚合物,一方面铁电机理众说纷纭,另一方面性能上也存在诸多不足,如PVDF高温稳定性差,P(VDF-Tr FE)毒性较高,聚氨酯等聚合物压电活性太低等,这些缺点限制了它们的某些应用。因此,研究和开发奇-奇数尼龙1111这一新型、环保和相对低廉的压电和铁电聚合物具有重要的理论意义和应用价值。本文以本实验室合成的长碳链奇-奇数尼龙1111为对象,研究了尼龙1111的晶体结构与晶型转变,介电、压电和铁电行为,铁电机理以及其与PVDF复合薄膜的压电和铁电性能。首先,通过WAXD研究了尼龙1111晶体结构和晶胞参数等基础数据。尼龙1111的α晶型,属于单斜晶系,其晶胞参数为a=0.485nm,b=0.456nm,c=5.70nm,α=β=90°,γ=119.5°;γ晶型,属于六方晶系,其晶胞参数为a=b=0.482nm,c=5.61nm,α=β=90°,γ=120°。研究了拉伸和退火对尼龙1111的晶型转变的影响,结果表明:热诱导和应力诱导在尼龙1111晶型的形成中存在竞争关系,热诱导有利于形成α晶型,而应力诱导有利于形成γ晶型。高温退火会使γ晶型转变为α晶型,尼龙1111退火条件下的Brill转变温度为145°C。发现了奇-奇数尼龙晶型的拉伸转变,在低温下拉伸α晶型会转变为γ晶型,尼龙1111低温拉伸条件下的转变拉伸比n=1.5。通过室温以上的介电松弛谱(DRS),详细讨论了尼龙1111介电行为,通过分析尼龙1111的介电常数ε*、阻抗Z*以及介电模量M*等来研究尼龙1111的分子链段的运动和载流子的迁移。研究表明:在室温以上尼龙1111主要存在三个松弛过程,随着温度的升高依次为α松弛、MWS松弛和电极极化。α松弛对应于尼龙1111的分子链段运动,MWS松弛对应于非晶区与晶区界面上聚集的载流子运动,而电极极化则对应于聚集在试样与电极界面的载流子运动。玻璃化温度以上载流子的运动是由尼龙1111分子链段运动引起的。首次测出长碳链奇-奇数尼龙1111的铁电性。通过热压、拉伸、蒸镀电极和极化得到了尼龙1111的铁电薄膜。随着频率的增加,尼龙1111的剩余极化强度Pr减小,矫顽电场Ec增大;随着最大外加电场E0的增大,尼龙1111的剩余极化强度和矫顽电场均增大。在频率为0.1Hz,外加电场为150MV/m时,其Ec约为75MV/m,Pr达47m C/m2。首次发现长碳链奇-奇数尼龙1111具有压电性。极化工艺研究表明:在最初20min内随着极化时间增加压电应变常数d33迅速增大并趋稳定;随着极化电场强度的增加和极化温度的升高,尼龙1111的d33随之增大。经最优极化条件极化后,尼龙1111的压电应变常数d33高达-3.9p C/N,压电电压常数g33达-169m V?m?N-1。通过FTIR、DSC、WAXD等测试手段分析不同尼龙1111薄膜样品极化前后结构的变化,探讨了尼龙1111铁电性产生机理。研究表明:奇-奇数尼龙1111的γ晶型具有铁电性和压电性,而α晶型没有铁电性。尼龙1111的铁电性源自于γ晶型晶粒中酰胺键偶极子,其极化反转是晶粒随外电场反转而反转的结果。论文研究了薄膜拉伸和退火对尼龙1111压电和铁电性能的影响。随着拉伸比的增大,尼龙1111的剩余极化强度Pr增大,矫顽电场Ec降低,压电应变常数d33几乎不变。当拉伸比增加到4时,Pr约为31m C/m2,Ec为74MV/m,d33约为-4.0p C/N。125°C温度以下,随着退火温度的升高,尼龙1111的剩余极化强度Pr减小,矫顽电场Ec增大,压电应变常数d33降低。165°C以上温度退火得到无铁电性的α晶型,并且晶粒较大,结晶度较高。最后,为进一步提高尼龙1111的压电性,制备了尼龙1111/PVDF复合薄膜。通过SEM、FTIR、WAXD、DSC和DRS等研究了复合薄膜的结构与性能,讨论了复合薄膜的压电和铁电性。结果表明,尼龙1111与PVDF的偶极子之间存在相互作用。PA1111与PVDF相比具有更高的矫顽电场,相近的剩余极化强度(约39m C/m2)。共混后剩余极化强度增加,其中50/50样品薄膜的Pr高达53m C/m2。随着PVDF含量增加,PA1111/PVDF复合薄膜的d33增大。与PVDF复合是一种提高PA1111压电性能的有效途径。