有机压电材料及应用.ppt

有机压电材料及应用 压电效应 当某些材料在沿一定方向受到压力或拉力作用而发生变形时 引起它内部正负电荷中心相对转移而产生极化现象 其表面上会产生电荷 若将外力去掉时 它们又重新回到不带电的状态这种现象就称为压电效应 压电材料分类 压电材料分类 无机压电材料 有机压电材料 压电陶瓷 压电晶体 通常为PVDF及其共聚物 薄膜 压电性强 介电常数高 易加工成型机械品质因子低 电损耗大 稳定性差 压电性弱 介电常数低 加工尺寸局限机械品质因子高 稳定性好 柔韧性好 低密度 低阻抗 大功率换能器和宽带滤波器 标准频率控制的振子 高频 高温超声换能器等 特点 应用领域 PVDF与PZT比较 聚偏氟乙烯 PVDF 1969年 Kawai发现了聚偏氟乙烯 简称PVDF 具有极强的压电效应 继而出现了以聚偏氟乙烯为代表的压电高聚物的研究热潮 现在研究已从均聚物扩大到共聚物 共混物和复合物 从结晶高聚物的压电性扩大到非晶高聚物的压电性 PVDF家族压电铁电效应的发现被认为是有机换能器领域发展的里程碑 PVDF聚偏氟乙烯 分子式为 CH2 CF2 n 外观为半透明状 分子链间排列紧密 又有较强的氢键 含氧指数为46 不燃 结晶度65 78 密度1 17 1 79g cm3 熔点为172 热变形温度112 145 长期使用温度为40 150 PVDF的晶型与压电性 PVDF存在四种晶相 晶型是PVDF最普通的结晶形式 为单斜晶系 构型为TGTG 在同一单胞内偶极子反向排布 偶极矩相互抵消 因此分子为非极性 PVDF的晶型与压电性 PVDF存在四种晶型 晶型是PVDF的重要结晶形式 为正交晶系 构型为全反式TTT 单胞内偶极子排布方向一致 因而具有强极性 相具有最强的压电性 当 晶型含量占主导地位时才能得到优异的压电牲能 PVDF的晶型转换 不同的加工工艺可得不同晶型的 不同晶型的通过化学或物理条件的处理又可互相转换 120MV m左右的极化电场可以将 相首先转变 相结构 然后在200MV m的电场下 相又转变为 相最终500MV m的电场使得 相转变成 相结构 熔融结晶的PVDF为 相 相通过机械拉伸的办法可以将相转变为 相结构 相高温退火可以转变成在高温下更为稳定的 相 相在高温高压下退火又可转变为 相 PVDF压电膜的制备 由于 相具有最强的压电性 PVDF压电膜的制作方法是指 相膜的制作 大致有3种方法 即溶液浇铸法 共聚合法和热压拉延法 由于热压拉延法制得膜的压电性最强 并且此法也较容易 通常采用此法 工艺包含以下几个步骤 纯的PVDF压电膜 PZT PVDF复合压电膜 采用陶瓷PZT微粉和高聚物PVDS制备复合材料膜 通过轧膜 镀电极和极化3个主要工艺制备 轧膜 用热轧挤压成膜方法 轧辊升温到120 40 加PVDF粉末 软化 缓慢添加PZT粉料 混轧 成膜 自然冷却 取膜 镀电极使用溅射金属电极工艺如下 丙酮 酒精清洗薄膜 抽真空 加电压 溅射银 极化采用常规的油浴直流高压极化法 将油温控制在预定温度 把样品放入浴油中的夹具上 固定极化电压 保持规定时间 去掉电压 取出样品 PVDF与尼龙11共混膜 PVDF 粉末 和尼龙11 颗粒 在190 和220 下热压并用冰水淬火成膜 叠放在加适当的间隔层的铅箔中 210 共熔 冰水淬火成复合膜 室温拉伸至3 5倍 然后再上电极和极化 用PVDF与尼龙11制备共混膜 经过适当的加工处理后 可能得到比PVDF更高的压电性和热释电性 压电材料应用 PVDF压电膜应用 由于PVDF压电高聚物薄膜的压电性强 柔性好 其声阻抗与空气 水和生物组织很接近 所在许多技术领域都有适用性 特别是用它制作与液体 生物体及气体的换能器 可获得比用其它压电材料制作换能器更好的阻抗匹配 在电声换能器中的应用 由PVDF压电高聚物制作的器件对温度 湿度和化学物质高度稳定 机械强度又高 用其制作的声电转换器件结构简单 形状细致 重量轻 失真小 音质好 稳定性高 能广泛应用于声学设备 特别适宜于高质量的立体声耳机 扬声器和话筒等此外PVDF压电高聚物还可应用于红外探测器 辐射计 电荷分离器 滤波器 光扫描器 方位探测器 光相调制器等 在智能材料系统中的应用 由于压电材料对于所加应力能产生可测量的电信号 是智能结构中理想的传感元件 PVDF压电膜 压电系数高 具有薄 重量轻 体积小 结构简单 可黏贴于材料的表面的特点 与结构有着良好的相容性 并可在结构中大面积使用 比如 在机器人的触觉传感器中 因为PVDF压电膜同时具有压电和热释电效应 所以它是最合适的器件 在医疗仪器中的应用 PVDF压电高聚物对生物组织的适应性和相容性很好 用它们制成的电子型人工脏器及其组件将有可能移植到动物体内 用它们制成的医疗仪器已广泛使用 高透明度的有机压电薄膜的传感装置 为此村田制作所开发出了一种有机压电薄膜 具有压电常数大 透明度高的特点 无热释电现象 能够检测出弯曲度和扭转程度 预计今后该压电薄膜将被广泛应用于各种人机界面 村田制作所开发了使用这个有机压电薄膜的2个应用装置 即能够利用弯曲和扭转的动作来控制电视机的遥控器 以及能够检测出手指向下按触摸屏的力度的具有压力检测功能的触摸屏TouchPressurePad 压力式触摸板 至今为止 由于压电薄膜具有热释电性能 因此在使用压电薄膜的传感装置的过程中 无法分别检测温度与弯曲度和扭转程度 利用弯曲和扭转的动作来控制电视机的遥控器 分别使用了能够检测出弯曲度的压电薄膜和能够检测出扭转程度的压电薄膜 此应用装置是能够通过用双手弯曲和朝相反方向扭转薄膜型机体来操纵电视机的新感觉遥控器 具有压力检测功能的触摸屏 压力式触摸板 由于压电薄膜不具有热释电性 所以手指温度不会产生电压的 因此该触摸屏能够进行更高精度的检测 同时 该触摸屏不仅能够