PVDF-TrFE共聚物薄膜的压电特性优化研究

发布时间：2020-04-08 11:10

【摘要】：随着现代科技的不断进步,新型智能设备逐渐向着微型化、轻量化、多功能化、柔性化以及便携性等方向发展。例如可穿戴医疗和可植入压力传感等领域,对压电材料的柔性、轻薄性都有着更高的要求,而传统压电陶瓷不易形变同时对环境会造成污染。偏氟乙烯三氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)作为最具代表性的压电聚合物材料,拥有较高的压电系数和天然的柔韧性,成为了众多研发人员密切关注的研究热点。而其中如何快速有效的提高PVDF-TrFE的压电性能成为其应用的关键。因此,本文主要针对PVDF-TrFE压电材料从工艺优化和掺杂改性等方面对材料性能进行改进提升,同时还对材料在超声响应和能量收集等方面的应用进行初步探究。具体结论如下:在工艺优化和掺杂改性方面,本文针对干燥、退火、和极化条件进行了相关优化验证,同时对掺杂还原氧化石墨烯(rGO)进行了探究。在干燥阶段,相较热烘干燥而言,经过真空干燥的PVDF-TrFE薄膜表面缺陷更少,同时厚度也更加均匀。热处理环节中,不同的退火温度和退火时间会影响到材料结晶度以及居里温度T_c的变化。在140℃下退火1h,PVDF-TrFE可以得到高纯度的β晶。之后通过自行设计的等离子体原位极化设备进行极化操作,在7.5kV极化电压下,PVDF-TrFE薄膜的纵向压电系数可以达到24.7pC/N。对于掺杂有还原氧化石墨烯的PVDF-TrFE薄膜,由于rGO和PVDF-TrFE之间链段和偶极的相互作用,其结晶性能得到了显著提高,rGO掺杂比例为0.1wt%时,压电系数可以达到34.0pC/N。但是掺杂浓度继续上升时,会形成导通影响到极化效果,最终导致压电性能变差。在材料能量收集和超声响应的应用方面,本文探究了应力与响应强度,环境温度和压电性能之间的联系。随着应力递增,PVDF-TrFE薄膜能量响应灵敏且开路电压和短路电流均逐步提升。在5N的应力条件下,对掺杂有rGO的PVDF-TrFE压电器件进行能量收集性能检测,发现rGO掺杂比例为0.1wt%时,可以得到最大开路电压为8.32V,最大短路电流为0.59μA,对应的最大能量密度为28.7W/m~3。在谐振频率下,压电器件超声波响应产生的响应电压可以达到0.017mV。其压电性能会随着环境温度的增大而减小,在50℃的环境温度下,超声性能衰减大约50%,升温到90℃后恢复常温,PVDF-TrFE仍然具有可逆的压电效应。而当升温至接近居里温度Tc后恢复到常温,材料的压电性能会发生不可逆的衰减。
【图文】：

PVDF薄膜,晶相

例如，有研究通过添加一些成核剂（如蒙脱土，多壁碳纳米管，M化锂）来提高 β 晶含量[56-58]。Mao[59]等人利用 ZnO 纳米颗粒(NPs)制备了状的多孔压电薄膜，最终得到的 PVDF 压电性能有了明显提高如图 1-1。将 PVDF 和 ZnO 纳米颗粒(NPs)的混合物浇注在平面上，然后用盐酸溶液纳米颗粒制备了该介孔 PVDF 膜。ZnO 纳米颗粒不仅可以利用孔洞的形 PVDF 薄膜的力学性能，同时还有助于 β 晶相的形成。因为 ZnO 纳米颗表面分别可以与具有正电荷密度的PVDF的-CH2-链段和带负电荷密度的发生相互作用，从而触发 β 晶相凝聚成核。也有一些研究者采用常规聚 PVDF 的热处理工艺进行了优化。例如，，Tiwari[60]等人发现淬火温度会DF 的结晶度和 β 晶相的含量。其发现在 20℃的淬火温度下，PVDF 中 β 晶达到了最大值。同时研究者还探索出了提高PVDF中β晶含量的新方法。S利用简单的相位反演技术，将样品在-20℃的温度下淬火后，得到的 PVD体组分几乎为纯 β 晶相。最终制得的 PVDF 薄膜的压电特性得到了极大压电系数 d33 的绝对值可达 49.6 pm/V，而普通 PVDF 薄膜的 d33 仅C/N。

压电,电容器

图 1-2 PVDF 压电电容器的结构[84]提出了一种基于膨胀技术的 PVDF 圆顶型压电触觉传一片用于电极保护的聚酰亚胺薄膜，一种凹凸结构板撑作用的 PDMS 膜片构成了这个传感器模块。压电传力通过压电效应转换成电信号。当外加法向力作用时器件输出与变形成正比的电压。与传统的扁平化装置敏度。可以应用于在机器人触觉传感、柔性穿戴等领
【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】：TM22;TB383.2

【参考文献】