组成基元及界面结构对氟聚合物驻极体的电荷捕获性能影响研究
发布时间：2021-04-05 00:08
氟聚合物是一类具有优异的电荷存储能力的驻极体材料。聚四氟乙烯（PTFE）和氟化乙烯丙烯共聚物（FEP）是应用最广泛的空间电荷型驻极体材料。空间电荷的存储及其稳定性由TFE基元决定。聚偏氟乙烯（PVDF）及其共聚物是应用最为广泛的偶极电荷驻极体材料,这类材料的压电铁电特性由VDF基元所决定。不同基元和组分比例决定了电荷存储的类型及其应用领域。除组成基元外,驻极体电荷还会受到界面结构的影响。具有电学梯度结构的多种介质叠加形成的异质界面结构,在极化过程中,将会积聚电荷,形成驻极体。目前在驻极体电荷捕获机制的研究中,组成基元与电荷存储,晶相结构和介电响应的关系仍然不清楚,仅通过对单一基元或双基元驻极体的研究无法全面揭示不同类型基元对电荷捕获的影响。并且大多数界面电荷积聚机制的研究仅通过经典模型进行论证,无法得出有效的界面电荷积聚机制。本文研究了具有不同基元和组分比例的聚四氟乙烯（TFE）-偏二氟乙烯（VDF）-六氟丙烯（HFP）三元共聚物THV815,THV500和THV220,并将其作为模型材料,研究功能基元VDF、HFP和TFE对驻极体电荷的影响。通过PP和FEP驻极体构成具有异质结构的界...
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）表面电荷（b）空间电荷（c）界面电荷（d）偶极电荷
踅?屑庸?27]。它具有PTFE和PE的许多杰出性能，例如高电阻率，低损耗因子，低介电常数和高化学稳定性[28]。此外，ETFE具有较高的熔融温度（271℃）和出色的机械性能[29]。到目前为止，已经有一些关于ETFE作为空间电荷驻极体的研究，研究表明ETFE具有相当好的空间电荷稳定性[30,31]。CYTOP是一种全氟聚合物[32]，图1.2显示了三种类型的商业级CYTOP的分子组成。它们具有不同的端基，即三氟甲基（CTL-S），羧基（CTL-A）和酰胺基甲硅烷基（CTL-M）。CYTOP可溶于全氟溶剂，因此与MEMS制造工艺兼容，可以通过多次旋涂获得厚膜。图1.2CYTOP的分子组成和端基Suzuki等人研究了CYTOP的驻极体特性[33,34]。发现端基对CYTOP的驻极体性质具有强烈的影响。CTL-A类型和CTL-M类型不仅可以保持较高的表面电荷密度，而且还具有良好的稳定性。CTL-M类型的初始表面电荷密度高达1.3mC/m2，并且在超过4000h的存储时间内保持稳定。CTL-A类型的初始表面电荷密度约为0.8mC/m2，在相同的存储时间段内也保持稳定。相比之下，CTL-S类型的表面电荷密度要低的多[35]。结果表明酰胺基甲硅烷基端基在CYTOP的驻极体性能中起关键作用。仅将0.6-3.0%的氨基硅烷掺杂到CTL-A中可使表面电荷密度加倍，并提高热稳定性。掺杂了3.0%氨基硅烷的CTL-A的表面电荷密度高达1.5mC/m2，高于CTL-M的表面电荷密度。通过优化充电电压和膜的厚度，使用氨基硅烷掺杂的CYTOP驻极体可以达到聚对二甲苯HT（3.7mC/m2）的表面电荷密度。TeflonAF是一种优异的非极性聚合物材料[36]，它庞大的侧基可以防止结晶，可以用于改善和其他材料的粘合力并消除沿微晶边界的电荷传输。介电常数为1.9，并且吸水率低于0.01%。研究表明，对于聚合物驻极体，薄膜可充电的最大电荷密度与其介电强度和电荷的陷阱密度相关，即
杭州电子科技大学硕士学位论文6β相峰在20.26o处，α相的衍射峰在17.76o、18.30o和26.56o处，γ相在18.5o、19.20o和20.04o处[46]。PVDF各晶相衍射峰如图1.3所示。图1.3PVDF各晶面及衍射角XRD谱差示扫描量热法（DSC）是一种热分析方法，与XRD和FTIR互补，用于区分PVDF的晶相。PVDF的不同晶相在DSC谱中显示出不同的熔融峰。由于DSC峰的特征不仅取决于结晶相，而且取决于材料的形态特征，例如缺陷和晶体尺寸。α相的吸热峰在172℃，β峰与α相峰接近，在167-172℃之间，γ相峰温在179-180℃之间[47]。在β相PVDF中，聚合物链呈现全反式（Z字形）构型，并表现出净偶极矩。在分子偶极子在足够强的电场中排列后，β相PVDF显示出强压电和热电性。但是，PVDF通常在常规制备（例如溶液浇铸和熔融冷却）后形成的是非极性α相。α相PVDF可以变成β相PVDF，例如，通过将薄膜或平板拉伸至其原始长度的几倍。这样的额外步骤增加了制造成本，导致印刷和直接沉积方法的技术困难，因此阻止了PVDF的广泛应用。PVDF在电场强度大于50MV/m的电场下极化，可以使PVDF具有强的压电效应和热释电效应。但是PVDF的极化是不均匀的，极化与晶形相关。M.Womes研究了电荷的注入、迁移和捕获决定着极化区域的位置和厚度。在较高温度下，高聚物的链更容易转动，具有较高的载流子迁移率，可以更快速极化[48]。叶芸等人通过对PVDF膜热极化和电晕极化，表明PVDF的结晶度可以通过不同的极化方式进行提高，像是热极化和电晕极化。在较高的极化温度下可以
【参考文献】：
期刊论文
[1]介质层对驻极体基能量采集器输出性能的影响[J]. 张庆贺,陈钢进,李长胜,王奇. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]Fluorinated p-n Type Copolyfluorene as Polymer Electret for Stable Nonvolatile Organic Transistor Memory Device[J]. Bin Liu,Yan Bao,Hai-feng Ling,Wen-sai Zhu,Rui-jun Gong,Jin-yi Lin,解令海,仪明东,黄维. Chinese Journal of Polymer Science. 2016(10)
[3]界面极化注极聚丙烯薄膜驻极体的电荷存储特性研究[J]. 陈钢进,饶成平,肖慧明,黄华,赵延海. 物理学报. 2015(23)
[4]PVDF薄膜的极化及其电性能研究[J]. 叶芸,郭太良,蒋亚东,黎威智. 电子科技大学学报. 2012(03)
[5]聚偏氟乙烯的晶体结构[J]. 顾明浩,张军,王晓琳. 高分子通报. 2006(07)
[6]热刺激放电技术在极化聚合物材料研究中的应用[J]. 陈钢进,韩高荣. 物理. 2002(08)
[7]主客体掺杂型非线性光学聚合物驻极体DR1/PMMA膜中空间和偶极电荷的相互作用特性[J]. 陈钢进,夏钟福,张冶文. 物理学报. 1999(06)
[8]高绝缘性氟聚合物驻极体材料的发展和研究现状[J]. 夏钟福. 材料导报. 1997(04)
[9]PVDF压电薄膜的结构、机理与应用[J]. 周洋,万建国,陶宝祺. 材料导报. 1996(05)
[10]驻极体表面电荷、表面电位的测量[J]. 戚凌尔. 电声技术. 1977(03)
博士论文
[1]纸基驻极体发电机的制备及其传感应用研究[D]. 钟其泽.华中科技大学 2016
[2]新型极性与非极性铁电聚合物驻极体的储电性和压电性[D]. 王飞鹏.同济大学 2007
硕士论文
[1]驻极体和化学促渗剂对环孢菌素A的体外促渗研究[D]. 马琳.第二军医大学 2011
本文编号：3118758
【文章来源】：杭州电子科技大学浙江省
【文章页数】：64 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
（a）表面电荷（b）空间电荷（c）界面电荷（d）偶极电荷
踅?屑庸?27]。它具有PTFE和PE的许多杰出性能，例如高电阻率，低损耗因子，低介电常数和高化学稳定性[28]。此外，ETFE具有较高的熔融温度（271℃）和出色的机械性能[29]。到目前为止，已经有一些关于ETFE作为空间电荷驻极体的研究，研究表明ETFE具有相当好的空间电荷稳定性[30,31]。CYTOP是一种全氟聚合物[32]，图1.2显示了三种类型的商业级CYTOP的分子组成。它们具有不同的端基，即三氟甲基（CTL-S），羧基（CTL-A）和酰胺基甲硅烷基（CTL-M）。CYTOP可溶于全氟溶剂，因此与MEMS制造工艺兼容，可以通过多次旋涂获得厚膜。图1.2CYTOP的分子组成和端基Suzuki等人研究了CYTOP的驻极体特性[33,34]。发现端基对CYTOP的驻极体性质具有强烈的影响。CTL-A类型和CTL-M类型不仅可以保持较高的表面电荷密度，而且还具有良好的稳定性。CTL-M类型的初始表面电荷密度高达1.3mC/m2，并且在超过4000h的存储时间内保持稳定。CTL-A类型的初始表面电荷密度约为0.8mC/m2，在相同的存储时间段内也保持稳定。相比之下，CTL-S类型的表面电荷密度要低的多[35]。结果表明酰胺基甲硅烷基端基在CYTOP的驻极体性能中起关键作用。仅将0.6-3.0%的氨基硅烷掺杂到CTL-A中可使表面电荷密度加倍，并提高热稳定性。掺杂了3.0%氨基硅烷的CTL-A的表面电荷密度高达1.5mC/m2，高于CTL-M的表面电荷密度。通过优化充电电压和膜的厚度，使用氨基硅烷掺杂的CYTOP驻极体可以达到聚对二甲苯HT（3.7mC/m2）的表面电荷密度。TeflonAF是一种优异的非极性聚合物材料[36]，它庞大的侧基可以防止结晶，可以用于改善和其他材料的粘合力并消除沿微晶边界的电荷传输。介电常数为1.9，并且吸水率低于0.01%。研究表明，对于聚合物驻极体，薄膜可充电的最大电荷密度与其介电强度和电荷的陷阱密度相关，即
杭州电子科技大学硕士学位论文6β相峰在20.26o处，α相的衍射峰在17.76o、18.30o和26.56o处，γ相在18.5o、19.20o和20.04o处[46]。PVDF各晶相衍射峰如图1.3所示。图1.3PVDF各晶面及衍射角XRD谱差示扫描量热法（DSC）是一种热分析方法，与XRD和FTIR互补，用于区分PVDF的晶相。PVDF的不同晶相在DSC谱中显示出不同的熔融峰。由于DSC峰的特征不仅取决于结晶相，而且取决于材料的形态特征，例如缺陷和晶体尺寸。α相的吸热峰在172℃，β峰与α相峰接近，在167-172℃之间，γ相峰温在179-180℃之间[47]。在β相PVDF中，聚合物链呈现全反式（Z字形）构型，并表现出净偶极矩。在分子偶极子在足够强的电场中排列后，β相PVDF显示出强压电和热电性。但是，PVDF通常在常规制备（例如溶液浇铸和熔融冷却）后形成的是非极性α相。α相PVDF可以变成β相PVDF，例如，通过将薄膜或平板拉伸至其原始长度的几倍。这样的额外步骤增加了制造成本，导致印刷和直接沉积方法的技术困难，因此阻止了PVDF的广泛应用。PVDF在电场强度大于50MV/m的电场下极化，可以使PVDF具有强的压电效应和热释电效应。但是PVDF的极化是不均匀的，极化与晶形相关。M.Womes研究了电荷的注入、迁移和捕获决定着极化区域的位置和厚度。在较高温度下，高聚物的链更容易转动，具有较高的载流子迁移率，可以更快速极化[48]。叶芸等人通过对PVDF膜热极化和电晕极化，表明PVDF的结晶度可以通过不同的极化方式进行提高，像是热极化和电晕极化。在较高的极化温度下可以
【参考文献】：
期刊论文
[1]介质层对驻极体基能量采集器输出性能的影响[J]. 张庆贺,陈钢进,李长胜,王奇. 杭州电子科技大学学报(自然科学版). 2019(04)
[2]Fluorinated p-n Type Copolyfluorene as Polymer Electret for Stable Nonvolatile Organic Transistor Memory Device[J]. Bin Liu,Yan Bao,Hai-feng Ling,Wen-sai Zhu,Rui-jun Gong,Jin-yi Lin,解令海,仪明东,黄维. Chinese Journal of Polymer Science. 2016(10)
[3]界面极化注极聚丙烯薄膜驻极体的电荷存储特性研究[J]. 陈钢进,饶成平,肖慧明,黄华,赵延海. 物理学报. 2015(23)
[4]PVDF薄膜的极化及其电性能研究[J]. 叶芸,郭太良,蒋亚东,黎威智. 电子科技大学学报. 2012(03)
[5]聚偏氟乙烯的晶体结构[J]. 顾明浩,张军,王晓琳. 高分子通报. 2006(07)
[6]热刺激放电技术在极化聚合物材料研究中的应用[J]. 陈钢进,韩高荣. 物理. 2002(08)
[7]主客体掺杂型非线性光学聚合物驻极体DR1/PMMA膜中空间和偶极电荷的相互作用特性[J]. 陈钢进,夏钟福,张冶文. 物理学报. 1999(06)
[8]高绝缘性氟聚合物驻极体材料的发展和研究现状[J]. 夏钟福. 材料导报. 1997(04)
[9]PVDF压电薄膜的结构、机理与应用[J]. 周洋,万建国,陶宝祺. 材料导报. 1996(05)
[10]驻极体表面电荷、表面电位的测量[J]. 戚凌尔. 电声技术. 1977(03)
博士论文
[1]纸基驻极体发电机的制备及其传感应用研究[D]. 钟其泽.华中科技大学 2016
[2]新型极性与非极性铁电聚合物驻极体的储电性和压电性[D]. 王飞鹏.同济大学 2007
硕士论文
[1]驻极体和化学促渗剂对环孢菌素A的体外促渗研究[D]. 马琳.第二军医大学 2011
本文编号：3118758
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