驻极体

驻极体简介1.驻极体的产生及分类1.1分类驻极体根据所带的电荷性质不同可分为静电型驻极体和极性驻极体。1)静电型驻极体静电型驻极体中的电荷主要是被介质表面或内部的各种陷阱捕获的带电粒子(如电子、离子等),称为驻极体的捕获电荷,捕获电荷有三个来源:一是电荷从介质外面经施加的电场推斥,沉积到介质表面或注入到介质表层一定深度,被那里的陷阱捕获;二是介质内部的杂质离子在极化电场的作用下,作宏观位移,移至异号电极近旁的介质层内,被那里的陷阱捕获;三是有些电介质特别是高聚物其内部结构是不均匀的,有结晶区和非结晶区的不同结构交错在一起。结晶区通常是一些微小的晶粒,当极化电流通过介质时,在晶粒的两个端面将积累着相反的电荷,如图1-1所示。图1-1电荷在晶粒界面的积聚2)极性驻极体极性驻极体中的电荷是通过冻结取向偶极子而形成的。在没有外电场作用时,固体电介质中的分子偶极子的指向是各向均等的,就整个电介质而言呈中性,当介质处于电场中时,每个分子偶极子转向电场方向,介质表面就呈现出带电特性,这种电荷是被束缚在所属的分子之内,不能脱离分子转移到其他部位,故被称为束缚电荷,通过一定的手段(如升温极化后降温)将这种有序取向冻结,再撤去外加电场就形成了驻极体,如图1-2。图1-2极性驻极体中的偶极子取向1.2极化方法驻极体的极化方法有很多种，大部分的极化方法是基于以下过程：把电介质材料放入电场中，并对其施加一额外的物理作用以加速带电粒子的迁移或缩短偶极弛豫时间。其中的物理作用的形式可以是加热、辐照、施加磁场等。即使在没有外电场作用是驻极态也会出现在电介质中。例如，电介质的机械形变可以产生机械驻极体；电晕放电时的电介质充电过程可以产生电晕驻极体；摩擦诱发的电气化过程可以产生摩擦驻极体等。现将常用的驻极体极化方法简要介绍如下。1)电晕极化电晕极化法是一种应用最为广泛的极化方法，该方法通常是在常压大气中进行的。该方法是在针状电极或片状上电极与电介质一面之间产生一个分均匀性的电场。上电极与样品表面之间要保持一定的距离，背电极与样品的另一面相接触。如果外部施加的电压超过空气击穿的阈值时，便会有电流i产生。极化时，也可以对样品同时进行加热，这样可以提高对电荷的捕获能力。图1-3是一种典型的电晕极化装置示意图。以如图所示装置进行电晕充电时，样品的表面电位分布极不均匀，会沿样品径向方向呈钟形分布。表面电势的这种分布规律可由Deutsch导出的电晕场电流分布方程1.1来描述：𝑖𝑖𝑚𝑎𝑥=[1+𝑟2𝑙2]−52⁄（1.1）其中r是样品上任意一点到电晕针正下方样品中心点的距离，l是电晕针到样品之间的距离，i是距离中心距离为r处的电流密度。图1-3电晕极化装置示意图为了改善充电的均匀性，可以在电晕针和样品之间附加一个平行于样品表面的金属栅网，并在栅网与下电极之间提供一个与电晕电压极性相同的电压，形成栅控恒压电晕充电。这样既可以使样品捕获电荷的横向分布均匀，同时可以有效地控制样品的注入电荷密度。2)热极化热极化法是在一定的高温下对电介质材料施加一外电场，使热活化的分子偶极子沿电场方向取向或将空间电荷经电极注入电介质，并在保持电场不变的情况下冷却至某一低温值，以冻结取向偶极子或促进空间电荷的捕获。对于聚合物材料，热极化温度通常选定在材料的玻璃相变温度与熔点之间。外电场可以通过样品表面的蒸镀电极或外加电极作用于电介质上。热极化时，会同时存在三种充电现象：第一种是偶极子取向极化或者是由电介质内介电吸收的电荷分离形成异号电荷的内部极化；第二种是由于气隙间的火花放电在样品表面和体内沉积的同号电荷；第三种是通过接触电极注入同号电荷。这些现象中哪一种起主导作用和电介质材料以及充电电极的几何形状、充电过程的温度、充电电场的大小以及电极与材料界面处的物理状况由密切的关系。3)界面夹层极化界面夹层极化是一种研究两种电介质材料接触界面上电荷存储性质时所用到的极化方法。如图1-4所示，若有两种电介质材料相互密切接触，其介电常数分别为1、2，电导率为1、2，厚度为d1、d2，当施加电压U后应有如下关系：在稳态时有1E1=2E2J=1E1+2E2在开始态至稳态时，电场分布随时间而变化，其传导电流密度J=J（t），且有（1.2）J1=1E1J2=2E2由于从开始态到稳态的过渡过程中，双层介质中传导电流密度不相等，因此，必然在介质的分界面上形成自由电荷的聚集，造成电介质中电荷的不均匀分布，这就是一种空间极化（夹层极化）。而J=J（t）就是单位时间内聚集在单位界面上的电荷。图1-4界面夹层极化示意图4)软X光极化软X光充电法是一种比较新的驻极体充电技术。这种充电方法与辐照充电在原理上有明显的区别。该方法的原理如图1-5（a）所示。软X光可以穿透气隙上方的电极，气隙中的气体分子在光致电离的作用下会产生大量的离子。在外加偏置电压的作用下，部分载流子会被电介质捕获并向介质内部转移，从而形成驻极体。除此之外，还有一种利用软X光来极化“垂直”驻极体的方法，该方法的示意图如图1-5（b）所示。当空气中的软X光的辐照强度达到10keV时，气隙中便会产生等量的正、负电荷。在外加电场的作用下，电荷会产生定向移动，并最终转移到驻极体表面。图1-5软X光极化（1.3）J1J25)介质插入极化1970年，G.M.Sessler等人发明了一种用可控击穿电场来制备驻极体的方法，如图1-4所示。其方法是在常温、常压的条件下，在两个电极之间放置一片聚合物薄膜，薄膜的一面镀电极，在薄膜的自由面一侧再插入一块电介质。然后对该三明治结构施加30keV的电压并持续一分钟。利用这种方法可以制得表面电荷特性优良的薄膜驻极体。插入电介质要具有适当的电阻率，在保证薄膜不被破坏性击穿的同时，还要使得在薄膜上能够产生足够的压降。通过施加合适的电压和插入介质可以使得电流密度在10-8-10-6A/cm2之间，这时的充电效果最为理想。这一电流值已远远高于大部分聚合物材料击穿的典型值。充电过中，大部分电流会由聚合物中的局部隧道流过，而电荷会沉积在与隧道距离较远的地方，也就是说击穿只会发生在离散的区域内，而不会发生大面积击穿。图1-6介质插入电击穿充电的结构示意图6)液体接触极化液体接触充电是指在电极与介质之间加入少量的液体，并使其与电极和介质紧密接触的充电方法。例如，一块一面镀电极的聚合物薄膜，其自由面与一湿润的电极相接触，以使电极与聚合物膜之间有一层很薄的液体层（如图1-6所示）。液体可以是水或酒精等。如果在电极之间施加外电压，在两个固—液界面处都会形成电荷层。在静电力和分子力的相互作用下，电荷会向聚合物膜转移。通过平行移动电介质上方的电极，可以获得大面积的聚合物驻极体膜。为了使电荷保存在电介质上，在停止施加电压以前，必须移去上电极（或使液体蒸发）。这种充电方法的优点是装置简单，通过外加电压可以控制初始电荷密度和横向电荷分布的均匀性。图1-6液体接触充电7)辐射极化以各类离子对电介质的完全穿透辐照，形成了电介质内载流子的位移充电称为穿透辐照充电。在离子穿透辐照过程中，通过外加电场，或离子穿透中形成的内场使载流子位移。穿透粒子可以是γ射线，β射线，X射线及穿透性的单能电子束。2.驻极体材料巴西棕榈蜡是世界上最早的人造驻极体材料。这类材料是极性材料,常以热极化成极，形成的驻极体在室温下呈现髙的电荷储存稳定性。但是蜡类的恪点低,所以使用温度一般不高于50℃，类似于极性聚合物如聚甲基丙稀酸甲酷PMMA，聚氯乙稀PVC和聚偏氟乙稀PVDF等。它们形成的元器件通常体积较大、电荷储存寿命短、机械强度差和工作温度低等，因此,二十世纪60年代以后，被高分子聚合物薄膜所取代。目前在驻极体材料体系中包含了有机高分子聚合物驻极材料、无机驻极材料以及生物驻极体材料。1)高分子聚合物驻极材料用作驻极体材料的高分子聚合物主要是指聚烯烃类，包括聚乙烯以及含卤素，烷基和芳香基团的其他一些类似的聚合物，它们都具有良好的驻极体性能和抗环境干扰能力。高分子聚合物材料具有良好的电荷储存性能，容易加工成薄膜，力学性能良好，并且价格低廉，在驻极体传声器、医疗卫生、空气过滤等方面都能看到它们的身影。聚合物薄膜驻极体材料从性质和应用特性上主要分为两大类:一种是绝缘聚合物薄膜材料。如聚三氟氯乙稀PCTFE、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、四氟乙稀和六氟丙稀共聚物FEP和聚乙稀PE等。它们均具有优异的介电性能，如髙的体积电阻和表面电阻率，低介电损耗因数，高介电击穿强度，低吸湿性和透气率，因而其形成的驻极体的电荷储存寿命长。广泛用于传感器、换能器、空气过滤器和仪表(如辖射剂量仪)、高压电缆、微型或小功率的驻极体发电机和马达等。另一种是具有强压电性的聚合物薄膜材料。PVDF具有最高的介电常数(=12)，良好的热稳定性、低介电损耗和髙击穿强度等，它和它的共聚物P(VDF/TrFE)在压电、热电和铁电等方面常常作为重要的传感器和换能器材料。2)无机驻极体材料无机驻极体材料通常是硅化合物，例如Si基SiO2和Si基Si基Si3N4/Si2O3为典型的无机驻极体材料。与聚合物薄膜驻极体相比，Si02驻极体构成的换能器或传感器具有寿命长、频率响应宽、抗恶劣环境好和微型化等优点。由于这种驻极体材料的制备和加工工艺与使用半导体技术的微机械加工工艺具有良好的兼容性，所以在实现各类基于驻极体的传感器的微型化、可集成化并最终实现机敏化方面具有十分明显的优势，因此无机驻极材料多应用于微型传感器。3)生物驻极体材料生物驻极体有两种，自然界存在的天然生物驻极体和人工合成的生物驻极材料，例如血液、骨骼、皮肤、鳞片和人工合成的蛋白质分子等，驻极体效应是生物体生命活动中的基本特性，研究表明，生物体体内驻极极态的转变会诱发组织的病变，目前生物驻极体在治疗疾病，医疗器械的制造和人工代替器官研究方面已经投入实际应用。3.驻极体电荷3.1空间电荷由驻极体的形成过程可知，驻极体中所存储的电荷可以分为两类，空间电荷（真实电荷）和偶极电荷。驻极体内至少有这两种电荷中的一种存在，它们在驻极体的分布如图3-1所示。图3-1驻极体中电荷分布3.2驻极体性能分析方法驻极体的主要性能为表面电荷密度和电荷存储稳定性，对驻极体性能分析方法有很多，最常用的有等效表面电势、电荷分布测量、电荷密度、热刺激电流法、热致发光、光致脱阱等，通过这些方法来测量和分析驻极体材料的电荷密度、表面电荷分布的均匀性、电荷注入深度、电荷存储稳定性和热稳定性等。相比之下，驻极体的电荷分布是一个更加困难的问题。现在测量电荷分布的方法有早期的切片法、法拉第杯法，早期的方法多对样品有破坏性，测量结果偏差大，后来发展而出压力波法（PWP）、电声脉冲法（PEA）和热脉冲法（TP）等方法，这些方法的测量原理是相似的。3.2.1表面电荷衰减表面电荷衰减是分析驻极体电荷存储稳定性的最为简便和直观的方法，它是在驻极体极化完成后，每隔一段时间测量一次驻极体的表面电位，绘制表面电位衰减曲线来分析驻极体的表面电位衰减情况，一般驻极体要在等温条件下保存。驻极体表面电位测量方法有静电感应法、电容探针法、动态电容法和补偿法。静电感应法和电容探针法适用于测量驻极体的静态电荷，不适合测量驻极体的瞬时电荷分布；动态电容法虽然很有效但是设备复杂；用补偿法测量驻极体的表面电荷的衰减情况是许多研究驻极体电荷存储稳定性的科技人员普遍使用的方法，常用于测量驻极体材料的电荷存储寿命。补偿法的测试原理为，在待测驻极体样品与测量电极之间施加一个振幅可调制的反向交流电压，用它来补偿待测驻极体样品与测量电极之间的气隙电场，不断调节反向电压幅值，直到气隙电场为零，此时的补偿电压值就是待测驻极体样品的表面电位，进而可以计算出驻极体的等效表面电荷密度。使用这种测量方法的优点是无需测量驻极体样品与测量电极之间的气隙厚度就可以测量样品的表面电位，目前使用补偿法测量驻极体表面电位的装置已经商品化。驻极体表面电荷测量很容易实现，但是由于测量及储存过程中会有很多因素的影响，由于表面电位衰减法只能对驻极体做一个初级定性的判断好坏，且