柔性热释电薄膜制备工艺及性能优化

发布时间：2020-08-22 12:46

【摘要】：柔性热释电材料作为一种新型材料,其制备的薄膜具有耐腐蚀性、耐氧化性、柔性可弯曲等优点,在红外热成像系统、红外报警系统、热释电探测系统等很多领域有着很好的应用前景。基于此,本论文对PVDF基柔性热释电薄膜的制备工艺进行了研究,主要研究内容如下:1、采用常规的三步法研究PVDF热释电薄膜的制备,首先是成膜,方法包括流延法、热压法和旋涂法。这一步通常制备出的薄膜晶体结构主要为α相,对薄膜进行拉伸可以提高β相含量,再进行热极化使PVDF薄膜具有热释电性能。之后通过SEM观察薄膜的表面结构,利用XRD和FTIR研究薄膜的晶体结构,验证了经过拉伸和极化可以提高薄膜的β相含量。通过搭建的热释电测试平台测试薄膜的热释电系数,表明拉伸比越大、极化电场强度越高薄膜的热释电性能越好。2、提出制备PVDF薄膜的流延-拉伸复合工艺,该工艺不需要高温拉伸,也不需要高温极化,而是在成膜的过程中拉伸,制备的薄膜直接具有热释电性能。通过表征后分析可知,薄膜的β相含量随着成膜温度升高先变大后减小,β相含量随剩余极化强度、介电常数、热释电系数的变化也是如此。通过实验分析可知PVDF薄膜在溶液浓度为25%、拉伸速率为20 cm.s~(-1)、拉伸长度为15 cm、成膜温度为80oC时获得最佳的热释电性能。通过搭建的偶极子取向测定装置进行测试和分析,证明流延-拉伸复合工艺制备的PVDF薄膜中偶极子在垂直方向有一定分量。之后将成膜板进行氢键处理,得到的薄膜具有更优良的热释电性能,证明流延-拉伸复合工艺制备的PVDF薄膜直接具有热释电性能是由于成膜板的氢键诱导作用。3、探索了三种简易新颖的方法来提升PVDF薄膜热释电性能:(1)方法一是采用叠层结构,将PVDF薄膜上下两层薄膜的热释电响应叠加,使相同薄膜面积具有更大的热释电响应。测试结果验证了这一设想,但所获得的响应信号比两层膜响应信号的和小。(2)方法二是在铁电相中掺入高热膨胀系数的非铁电相,通过增大复合薄膜的热膨胀系数来改进薄膜的热释电性能。实验结果表明当PMMA与P(VDF-TrFE)共混比例小于3:10时,共混薄膜的热释电响应信号是有小幅提高,最高可提升5%。(3)方法三是将粒径较大的PE颗粒掺入PVDF薄膜中增大薄膜表面积,提高表面热吸收率进而提高热释电性能。实验结果表明当颗粒的混入比例小于3:10时,共混薄膜的热释电响应信号最高可提升约3.8%。
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2019
【分类号】：TB383.2
【图文】：

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PVDF柔性热释电薄膜图片

表面形貌,表面形貌,溶剂蒸发,薄膜表面

11图 2-2 PVDF 薄膜的 SEM 表面形貌图。(a)流延法；(b)拉伸处理(Ts = 90 C，拉伸比=4)；(c)极化处理(T=90 C，E=50 MV. m-1，t=30 min)从图(a)中可以看出薄膜表面有着球形形貌即“球晶”，用 PVDF 材料制备的薄膜中“球晶”结构一般认为是相晶体结构[56]，所以通过流延法制备的 PVDF薄膜内部的晶相结构主要为相。另外从图(a)中可以看到 PVDF 薄膜表面有气孔，这是由于溶剂蒸发时薄膜内部的溶剂往外蒸发导致的气孔，一般温度越低溶剂蒸发越慢可以减小气孔的大小，但是温度过低会导致溶剂蒸发不完全。实验中一般采用高温退火来修补薄膜表面的气孔和缺陷。图(b)是将流延的薄膜经过拉伸后的SEM 表面形貌(拉伸比 R = 4)，从图中可以看出在拉伸的作用下，PVDF 薄膜表面

对比图,薄膜,相转变,拉伸工艺

是由于在电场作用下薄膜中的偶极子发生了转动，并沿电场方向趋向一致，使得薄膜中的相晶体结构转变为相和相[60]。2.3.2 X 射线衍射分析(XRD)图 2-3 为 PVDF 初始膜以及拉伸和极化处理后薄膜的 XRD 对比图。从图(a)中可以看出，通过流延制备的初始膜在 2θ=18.4°处和 2θ=20.8°出现衍射峰，2θ=18.4°处为相衍射特征峰，2θ=20.8°处为相衍射特征峰[59]，经过拉伸后 2θ=20.8°处的衍射峰强度变得很大，由此可知经过拉伸工艺制备的 PVDF 薄膜中含有较多的相。从图(b)中可以看出 PVDF 初始膜经过极化后 2θ=20.8°处的衍射峰强度也变大，可知通过极化也可以提高 PVDF 薄膜中的相含量。对比图(a)和图(b)中拉伸膜的 X 射线衍射图谱和极化膜的 X 射线衍射图谱发现，经过拉伸工艺制备的薄膜中的相衍射峰强度比极化后薄膜中的相衍射峰强度大，这是由于拉伸工艺通过拉开 PVDF 薄膜中缠绕的分子链将 PVDF 薄膜中的相转变为相，而对薄膜进行极化时，有一部分相转变为 δ 相，较少部分由相转变为相，所以通过拉伸可以使更多的相转变为相。

【参考文献】