基于P（VDF-TrFE）复合压电薄膜的柔性超声传感器的制备及性能测试

发布时间：2021-09-23 12:23

　　结构健康监测技术在保障关键结构结构安全性、降低维护成本、延长结构服役寿命等方面意义重大。传感器是结构健康监测的关键技术,现有硬质传感器因粘结耦合到待测结构所带来的检测结果可靠性差、附加质量重、体积大等诸多局限,难以在实际工程结构中全面应用。柔性传感技术是解决现有结构健康监测问题的重要方向。新型柔性传感技术利用聚合物等柔性材料,结合新型制备工艺,可将整个传感网络直接制备于待测结构,灵活布置于复杂形廓位置,具有检测灵敏度高、重量轻、柔性好、可设计等优点。本文将针对主流的基于超声技术的结构健康监测方法,研发基于共聚物聚偏氟乙烯-三氟乙烯（PVDF-TrFE）的高性能柔性压电薄膜材料,并以此研制柔性超声传感单元,完成多种形式的主被动监测,为结构健康监测技术在航空航天、轨道交通等工程结构的应用提供关键的技术保障,为提供可靠、易用、适用性强的柔性复合压电材料薄膜传感器进行有益的尝试。本文通过ZnO对P（VDF-TrFE）进行掺杂改性,旨在提高薄膜β相含量,进一步提高压电系数而制备出性能可靠的柔性超声传感器。通过掺杂不同质量分数的ZnO纳米颗粒并协同正丙胺（PA）和1H,1H,2H,2H-全氟辛基三... 

【文章来源】：山东农业大学山东省

【文章页数】：67 页

【学位级别】：硕士

【部分图文】：

正逆压电效应示意图

山东农业大学硕士学位论文5偏离和反转在压电材料的上下表面造成正负电荷分离，从而使得P(VDF-TrFE)具有压电效应(Fukada,2006)。因此，在制备压电传感器时极化的条件决定P(VDF-TrFE)最终的压电性能。压电材料的极化主要分为四类：电子极化、离子极化、偶极子极化和界面极化(日野朗等,1988)。压电聚合物通常采用偶极子极化，即将压电聚合物内部的偶极子按照一定的取向进行极化，这种方式使具有永久偶极子的压电材料中的压电效应能够保持几个月甚至是几年。P(VDF-TrFE)在强电场作用下，使得P(VDF-TrFE)中随机分布的偶极子产生一定方向的取向，偶极子的取向取决于施加电场的方向。偶极子极化通常分布在弛豫区间，在电场撤销之后，大部分偶极子会保持现有取向，极化强度保持定值成为剩余极化。高温能够使分子的运动加剧，偶极子克服周围分子阻力，回到随机取向状态，产生退极化的状态(压电性能损失)。图1-2电滞回线示意图Fig.1-2Schematicdiagramofhysteresisloop上图1-2，电滞回线是压电材料释能曲线和储能曲线完全重合现象的反映，能够代表极化后压电材料的压电性能，能够反映在一定电场强度之下，电场与极化强度非线性关系和压电材料的介电储能密度(Damjanovic,2006)。为饱和极化强度，P(VDF-TrFE)置于极化电场中，压电材料中的偶极子完全按照电场方向偏转，达到饱和极化强度。部分偶极子在电场撤销后会偏离或回到原位，但绝大部分偶极子在强电场作用后方向永久改变，最终形成剩余极化强度。压电材料的介电性能通常为非线性模型，即电极化强度跟电场强度不是线性关系。因此，非线性压电材料在机械能和电能的转化过程中也是非线性过程，而线性材料的释能曲线和储能曲线完全重合。电滞回线也正是说明这种非线性关系的存在。线性材

由于其构象的特殊性，重复结构单元TTTG构象单元组成，单斜晶系的晶体结构使得其具有比α相更强的压电性，通常是通过一定的加热加压下加工制成，并通过高温退火能够得到。相具有全反式(All-trans,TTTT)构型，H和F构成的偶极矩完全平均分布在高分子主链两侧，并且垂直于主链，因此造成了较大的偶极矩。具有全反式构型的相F原子和H原子分列在主链两侧，在强电场的作用下，一对F原子和一对H原子构成的偶极子按照电场方向偏转一致，分子的相对偶极矩不为零，这也是含有相较多的PVDF具有较好的压电性能和热释电性能(Gregorioetal.,1999)。图1-3分子链结构图Fig.1-3molecularchainstructurediagram

【参考文献】：
期刊论文
[1]压电陶瓷材料电学性能参数测量研究[J]. 赵寿根,程伟.  压电与声光. 2005(02)



本文编号：3405700