有機(jī)壓電材料及應(yīng)用課件

有機(jī)壓電材料及應(yīng)用有機(jī)壓電材料及應(yīng)用壓電效應(yīng)當(dāng)某些材料在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生變形時(shí)，引起它內(nèi)部正負(fù)電荷中心相對(duì)轉(zhuǎn)移而產(chǎn)生極化現(xiàn)象，其表面上會(huì)產(chǎn)生電荷；若將外力去掉時(shí)，它們又重新回到不帶電的狀態(tài)這種現(xiàn)象就稱為壓電效應(yīng)壓電效應(yīng)當(dāng)某些材料在沿一定方向受到壓力或拉力作用而發(fā)生變形時(shí)壓電材料分類壓電材料分類無(wú)機(jī)壓電材料有機(jī)壓電材料壓電陶瓷壓電晶體通常為PVDF及其共聚物（薄膜）壓電性強(qiáng)、介電常數(shù)高、

易加工成型機(jī)械品質(zhì)因子低、

電損耗大、穩(wěn)定性差壓電性弱、介電常數(shù)低、

加工尺寸局限機(jī)械品質(zhì)因子高、穩(wěn)定性好柔韌性好、低密度、低阻抗大功率換能器和寬帶濾波器標(biāo)準(zhǔn)頻率控制的振子、高頻、高溫超聲換能器等特點(diǎn)應(yīng)用領(lǐng)域壓電材料分類壓電材料分類無(wú)機(jī)壓電材料有機(jī)壓電材料壓電陶瓷壓電PVDF與PZT比較PVDF與PZT比較聚偏氟乙烯(PVDF)1969年，Kawai發(fā)現(xiàn)了聚偏氟乙烯(簡(jiǎn)稱PVDF)具有極強(qiáng)的壓電效應(yīng)，繼而出現(xiàn)了以聚偏氟乙烯為代表的壓電高聚物的研究熱潮，現(xiàn)在研究已從均聚物擴(kuò)大到共聚物、共混物和復(fù)合物，從結(jié)晶高聚物的壓電性擴(kuò)大到非晶高聚物的壓電性。PVDF家族壓電鐵電效應(yīng)的發(fā)現(xiàn)被認(rèn)為是有機(jī)換能器領(lǐng)域發(fā)展的里程碑。PVDF聚偏氟乙烯，分子式為—(CH2-CF2)n—，外觀為半透明狀。分子鏈間排列緊密，又有較強(qiáng)的氫鍵，含氧指數(shù)為46%，不燃，結(jié)晶度65%~78%，密度1.17~1.79g/cm3,熔點(diǎn)為172℃,熱變形溫度112~145℃,長(zhǎng)期使用溫度為40~150℃。聚偏氟乙烯(PVDF)1969年，Kawai發(fā)現(xiàn)了聚偏氟乙烯PVDF的晶型與壓電性PVDF存在四種晶相：α，β，γ，δα晶型是PVDF最普通的結(jié)晶形式，為單斜晶系，構(gòu)型為TGTG在同一單胞內(nèi)偶極子反向排布，偶極矩相互抵消，因此分子為非極性；PVDF的晶型與壓電性PVDF存在四種晶相：α，β，γ，δαPVDF的晶型與壓電性PVDF存在四種晶型：α，β，γ，δβ晶型是PVDF的重要結(jié)晶形式，為正交晶系，構(gòu)型為全反式TTT單胞內(nèi)偶極子排布方向一致，因而具有強(qiáng)極性，β相具有最強(qiáng)的壓電性。當(dāng)β晶型含量占主導(dǎo)地位時(shí)才能得到優(yōu)異的壓電牲能PVDF的晶型與壓電性PVDF存在四種晶型：α，β，γ，δβPVDF的晶型轉(zhuǎn)換不同的加工工藝可得不同晶型的,不同晶型的通過(guò)化學(xué)或物理?xiàng)l件的處理又可互相轉(zhuǎn)換120MV/m左右的極化電場(chǎng)可以將α相首先轉(zhuǎn)變?chǔ)南嘟Y(jié)構(gòu)，然后在200MV/m的電場(chǎng)下δ相又轉(zhuǎn)變?yōu)棣孟?/p>

最終500MV/m的電場(chǎng)使得γ相轉(zhuǎn)變成β相結(jié)構(gòu)。熔融結(jié)晶的PVDF為α相α相通過(guò)機(jī)械拉伸的辦法可以將相轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪嘟Y(jié)構(gòu)α相高溫退火可以轉(zhuǎn)變成在高溫下更為穩(wěn)定的γ相γ相在高溫高壓下退火又可轉(zhuǎn)變?yōu)棣孪郟VDF的晶型轉(zhuǎn)換不同的加工工藝可得不同晶型的,不同晶型的制膜拉伸

上電極極化

PVDF壓電膜的制備由于β相具有最強(qiáng)的壓電性，PVDF壓電膜的制作方法是指β相膜的制作，大致有3種方法，即溶液澆鑄法，共聚合法和熱壓拉延法由于熱壓拉延法制得膜的壓電性最強(qiáng)，并且此法也較容易，通常采用此法工藝包含以下幾個(gè)步驟：制膜拉伸上電極極化PVDF壓電膜的制備由于β相純的PVDF壓電膜將PVDF粉料用熱壓法制成厚度40-130μm的初始膜在65~120℃溫度下進(jìn)行單軸拉伸3~5倍，材料晶區(qū)由α晶型轉(zhuǎn)變成β晶在130~150℃退火半小時(shí)，消除內(nèi)應(yīng)力。兩面真空蒸鍍鋁電極置80~110℃恒溫場(chǎng)中，以500~800kV/cm極化電壓極化0.5~1h純的PVDF壓電膜將PVDF粉料用熱壓法制成厚度40-130PZT-PVDF復(fù)合壓電膜采用陶瓷PZT微粉和高聚物PVDS制備復(fù)合材料膜，通過(guò)軋膜、鍍電極和極化3個(gè)主要工藝制備軋膜（用熱軋擠壓成膜方法，軋輥升溫到120~40℃）→加PVDF粉末→軟化→緩慢添加PZT粉料→混軋→成膜→自然冷卻→取膜鍍電極使用濺射金屬電極工藝如下：丙酮、酒精清洗薄膜→抽真空→加電壓→濺射銀極化采用常規(guī)的油浴直流高壓極化法，將油溫控制在預(yù)定溫度，把樣品放入

浴油中的夾具上，固定極化電壓，保持規(guī)定時(shí)間，去掉電壓，取出樣品PZT-PVDF復(fù)合壓電膜采用陶瓷PZT微粉和高聚物PVPVDF與尼龍11共混膜PVDF（粉末）和尼龍11（顆粒）在190℃和220℃下熱壓并用冰水淬火成膜，疊放在加適當(dāng)?shù)拈g隔層的鉛箔中，210℃共熔，冰水淬火成復(fù)合膜，室溫拉伸至3.5倍,然后再上電極和極化用PVDF與尼龍11制備共混膜，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)募庸ぬ幚砗?，可能得到比PVDF更高的壓電性和熱釋電性PVDF與尼龍11共混膜PVDF（粉末）和尼龍11（顆粒壓電材料應(yīng)用壓電材料應(yīng)用領(lǐng)域振動(dòng)能-電能還能器電聲換能器水聲換能器超聲波換能器各類傳感器壓電式壓力傳感器加速度傳感器……壓電材料應(yīng)用壓電材料應(yīng)用領(lǐng)域振動(dòng)能-電能還能器電聲換能器水聲PVDF壓電膜應(yīng)用由于PVDF壓電高聚物薄膜的壓電性強(qiáng)，柔性好，其聲阻抗與空氣、水和生物組織很接近，所在許多技術(shù)領(lǐng)域都有適用性。特別是用它制作與液體、生物體及氣體的換能器，可獲得比用其它壓電材料制作換能器更好的阻抗匹配在電聲換能器中的應(yīng)用由PVDF壓電高聚物制作的器件對(duì)溫度、濕度和化學(xué)物質(zhì)高度穩(wěn)定，機(jī)械強(qiáng)度又高，用其制作的聲電轉(zhuǎn)換器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、形狀細(xì)致、重量輕、失真小、音質(zhì)好、穩(wěn)定性高，能廣泛應(yīng)用于聲學(xué)設(shè)備，特別適宜于高質(zhì)量的立體聲耳機(jī)、揚(yáng)聲器和話筒等此外PVDF壓電高聚物還可應(yīng)用于紅外探測(cè)器、輻射計(jì)、電荷分離器、濾波器、光掃描器、方位探測(cè)器、光相調(diào)制器等在智能材料系統(tǒng)中的應(yīng)用由于壓電材料對(duì)于所加應(yīng)力能產(chǎn)生可測(cè)量的電信號(hào)，是智能結(jié)構(gòu)中理想的傳感元件。PVDF壓電膜，壓電系數(shù)高，具有薄、重量輕、體積小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可黏貼于材料的表面的特點(diǎn)，與結(jié)構(gòu)有著良好的相容性，并可在結(jié)構(gòu)中大面積使用。比如，在機(jī)器人的觸覺(jué)傳感器中，因?yàn)镻VDF壓電膜同時(shí)具有壓電和熱釋電效應(yīng)，所以它是最合適的器件PVDF壓電膜應(yīng)用由于PVDF壓電高聚物薄膜的壓電性強(qiáng)，柔在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用PVDF壓電高聚物對(duì)生物組織的適應(yīng)性和相容性很好，用它們制成的電子型人工臟器及其組件將有可能移植到動(dòng)物體內(nèi)，用它們制成的醫(yī)療儀器已廣泛使用。用途壓電產(chǎn)品計(jì)測(cè)裝置監(jiān)視血管移植修復(fù)術(shù)中血流擾動(dòng)和脈動(dòng)的PVDF壓力傳感器同時(shí)測(cè)量心臟內(nèi)的壓力和聲音的PVDF血管內(nèi)診斷裝置監(jiān)測(cè)嬰兒呼吸狀況的非接觸長(zhǎng)期呼吸監(jiān)視裝置同時(shí)測(cè)量指脈和呼吸波的指脈和呼吸測(cè)量裝置測(cè)量人體心率PVDF傳感器檢測(cè)血流速度PVDF傳感器測(cè)量人體血壓PVDF膜測(cè)量足底壓力PVDF膜信號(hào)發(fā)生器采集和記錄人體脈像信息的脈像儀測(cè)心音PVDF加速型心音傳感器將呼吸運(yùn)動(dòng)的部分能轉(zhuǎn)換成電能的PVDF壓電膜換能器使用超聲原理PVDF胎心音探測(cè)器用換能器宮縮監(jiān)視儀用超聲換能器在醫(yī)療儀器中的應(yīng)用PVDF壓電高聚物對(duì)生物組織的適應(yīng)性和相容高透明度的有機(jī)壓電薄膜的傳感裝置為此村田制作所開(kāi)發(fā)出了一種有機(jī)壓電薄膜，

具有壓電常數(shù)大、透明度高的特點(diǎn)，

無(wú)熱釋電現(xiàn)象，

能夠檢測(cè)出彎曲度和扭轉(zhuǎn)程度。預(yù)計(jì)今后該壓電薄膜將被廣泛應(yīng)用于各種人機(jī)界面。村田制作所開(kāi)發(fā)了使用這個(gè)有機(jī)壓電薄膜的2個(gè)應(yīng)用裝置，即能夠利用彎曲和扭轉(zhuǎn)的動(dòng)作來(lái)控制電視機(jī)的遙控器，以及能夠檢測(cè)出手指向下按觸摸屏的力度的具有壓力檢測(cè)功能的觸摸屏TouchPressurePad(壓力式觸摸板)。至今為止，由于壓電薄膜具有熱釋電性能，因此在使用壓電薄膜的傳感裝置的過(guò)程中，無(wú)法分別檢測(cè)溫度與彎曲度和扭轉(zhuǎn)程度。高透明度的有機(jī)壓電薄膜的傳感裝置為此村田制作所開(kāi)發(fā)出了一種有利用彎曲和扭轉(zhuǎn)的動(dòng)作來(lái)控制電視機(jī)的遙控器分別使用了能夠檢測(cè)出彎曲度的壓電薄膜和能夠檢測(cè)出扭轉(zhuǎn)程度的壓電薄膜，此應(yīng)用裝置是能夠通過(guò)用雙手彎曲和朝相反方向扭轉(zhuǎn)薄膜型機(jī)體來(lái)操縱電視機(jī)的新感覺(jué)遙控器。利用彎曲和扭轉(zhuǎn)的動(dòng)作來(lái)控制電視機(jī)的遙控器分別使用了能夠檢測(cè)出具有壓力檢測(cè)功能的觸摸屏“壓力式觸摸板”由于壓電薄膜不具有熱釋電性，所以手指溫度不會(huì)產(chǎn)生電壓的。因此該觸摸屏能夠進(jìn)行更高精度的檢測(cè)。同時(shí)，該觸摸屏不