有机压电材料及应用

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：α，β，γ，δα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：α，β，γ，δβ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，β相具有最强的压电性。当β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α相首先转变δ相结构，然后在200MV/m的电场下δ相又转变为γ相最终500MV/m的电场使得γ相转变成β相结构。熔融结晶的PVDF为α相α相通过机械拉伸的办法可以将相转变为β相结构α相高温退火可以转变成在高温下更为稳定的γ相γ相在高温高压下退火又可转变为β相制膜拉伸上电极极化PVDF压电膜的制备由于β相具有最强的压电性，PVDF压电膜的制作方法是指β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压电膜将PVDF粉料用热压法制成厚度40-130μm的初始膜在65~120℃温度下进行单轴拉伸3~5倍，材料晶区由α晶型转变成β晶在130~150℃退火半小时，消除内应力。两面真空蒸镀铝电极置80~110℃恒温场中，以500~800kV/cm极化电压极化0.5~1hPZT-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压电材料应用领域振动能-电能还能器电声换能器水声换能器超声波换能器各类传感器压电式压力传感器加速度传感器……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。用途压电产品计测装置监视血管移植修复术中血流扰动和脉动的PVDF压力传感器同时测量心脏内的压力和声音的PVDF血管内诊断装置监测婴儿呼吸状况的非接触长期呼吸监视装置同时测量指脉和呼吸波的指脉和呼吸测量装置测量人体心率PVDF传感器检测血流速度PVDF传感器测量人体血压PVDF膜测量足底压力PVDF膜信号发生器采集和记录人体脉像信息的脉像仪测心音PVDF加速型心音传感器将呼吸运动的部分能转换成电能的PVDF压电膜换能器使用超声原理PVDF胎心音探测器用换能器宫缩监视仪用超声换能器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，该触摸屏不仅能够检测出手指的左右上下方向的移动，还能够检测出手指向下按触摸屏的力度。只要用手指向下按触摸屏，就能够放大画面。同时如果增大向下按触摸屏的力量，放大画面的速度就会增快，相反如果减轻了该力量，放大画面的速度就会减慢。具有压力检测功能的触摸屏“压力式触摸板”谢谢