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压电薄膜的机理与应用
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压电薄膜的机理与应用
发布日期:2015-07-02

本章简要论述了聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜的结构与性质,介绍了薄膜的压电性产生的机理,概述了PVDF压电材料的应用。

1.前言

当在某些材料上施加机械应力时,材料的表面会有与应力成比例的电荷出现,这种材料就称为压电材料。压电材料包括压电晶体、压电陶瓷和压电聚合物。

材料的压电现象是J.居里和P.居里兄弟与1880年首先在晶体中发现的。本世纪40年代中期,美国、前苏联和日本又发现了钛酸钡陶瓷的压电效应,制成压电陶瓷。聚合物压电性的研究始于生物物质,如木材。羊毛和骨头等,后来扩大到合成高聚物,但由于压电性不高,均无实用意义。1969年日本的H.Kawai报道了聚偏氟乙二烯(PVDF)在高温高电压下极化后可产生有工业应用价值的压电性,使压电聚合物的研究发生了历史性的转折。此后聚合物的压电性及其应用引起各国学者的极大兴趣,二十多年代时间里,从理论、实验到实际应用开发都得到了迅速的发展。

2.PVDF的压电性

压电性是电介质的力学性质与电学性质的耦合,它严格建立在热力学基础之上,根据变量的不同,可变大为下面的Maxwel关系:

式中:D为电位移,E为电场强度,T为应力,S为应变。压电行数是三阶张量,因为坐标系反转可以改变符号,所以有对称中心的物质无压电性,非极性分子一般也不呈现压电性。各压电常数之间存在以下转换关系:

式中:sE为恒电场下的弹性柔顺系数 分别为自由界电常熟和受夹介电常数,四种压电常数中D常数最为常用。PVDF的压电特性可用压电矩阵表示,对于非拉伸极化薄膜,其中d常数阵列为:

式中:P为极化度。Q为释放的电荷,A为电极面积。这一方程一般用于压电常数的实验测定。

机电耦合系数K是和良压电材料电能和机械能之间相互耦合及转换能力的一个重要参数,它与d之间的关系为:

PVDF压电性的起源自它被发现起就是一个争论的话题。PVDF是半结晶性聚合物,片晶镶嵌在非晶相中,且两者具有不同的介电性和弹性。PVDF的极化常是在高温下施加高直流电场,并保持电场直至冷却。极化过程会引起电荷的注入(同号电荷)以及空间电荷例子的分离与偶极子去想(异号电荷)。若片晶由于偶极子而产生自发极化,则离子可在非晶相运动并被陷阱俘获在片晶表面,因而陷阱的离子及残余偶极极化对压电性都有贡献。

一般认为,PVDF的压电性可归因于以下两个机理:①尺寸效应。所谓尺寸效应是假定偶极子为刚性,不随外加应力变化时,由膜厚度变化所引起的压电性。膜厚度的减小会使膜表面的诱导电荷增多。②结晶相的本征压电性。结晶相的压电性由电致伸缩效应及剩余极化所决定。晶区的极化强度对应变具有依赖性,使晶区产生内部压电性。

3.PVDF压电膜的性能

典型的PVDF压电薄膜的主要性能于列表1。与普通的PZT压电陶瓷相比,PVDF的压电应变常熟(d常熟)较低,机电耦合系数也较小,但压电电压常数(g常数)却是所有压电体重最高的,其“ad”积比PZT陶瓷高3倍,作为接受传感器时灵敏度很高

为了改善PVDF材料的性能,可将偏氟乙烯与二氟乙烯组成共聚物(PVDF/TrFE),或在PVDF中添加PZT颗粒。PVDF/TrFE比PVDF几点耦合系数大,力学及节点损失小,且耐热性好,在部分应用中已取代PVDF。PVDF与PZT复合后,d常数增大,但g常数下降,选择适当的PZT材料并改变其组成,可得到适应各种不同用途的压电复合材料。

4.PVDF压电薄膜的应用

PVDF压电薄膜具有柔性好、机械强度高、声阻抗易匹配、频响范围宽,能抗化学和油腐蚀等优良特性,且可加工成大面积和复杂形状的膜使用,为压电材料的应用开辟了一个新的领域。PVDF压电薄膜的用途很广泛,可制成多种换能应用于工业生产、医疗行业、日常生活以及军事领域。表2列出了PVDF及其共聚物的一些主要用途。

表2 PVDF机器共聚物用途

音频

换能器

麦克风、噪声消失麦克风、电话送话器、双压电晶片换能器、耳机、扬声器、加速度计、医用传感器

超声及

水下换能器

超声发射及接收器、无损检测换能器、成像阵列、水听器、延迟线、光调制器、变焦点换能器、超声显微镜、超声诊断仪

机电换能器

及器件

电唱机试音曲、非接触开关、电话盘、打字机及电脑键盘、血压计、光学快门、光纤开关、变焦镜、触觉传感器、显示器、位移传感器

红外及

光学器件

红外探测器、热像仪、红外可见光转换器、影印机、反射检出器、激光功率计、火灾探测器、防盗报警器

音频换能器利用的是PVDF薄膜的横向压电性,目前麦克风、耳机及高频扬声器等都已商品化。

超声及水下换能器则是利用PVDF的纵向压电性,室温下,500MHz以内的频率都可产生有用信号。PVDF水听器的研制十分成功,其方向性好,灵敏度高,给水声接收技术带来了突破性的进展,新型接收站无需发出声波,而能从接收目标发出的信号中判断出目标的所在方位。与压电陶瓷相比PVDF声学阻抗小,与人体及水的阻抗相近,应用于医学超声波诊断器时无需配置层,加工容易不要声透镜,因为超声波收敛性好,共得到清晰的深部位断层像。

机电换能器大多是低频器件,因而是利用PVDF的横向压电性。非接触开关可用于电话盘、打字机、计算器及电脑的输入端。触觉传感器应用于具有直觉判断能力的智能机器人,比其他传感器更接近于人的皮肤。在医疗方面,PVDF除用于超声波诊断器外,还可制成血压计、心音计及血液诊断传感器等。

PVDF压电材料同时也具有很强的热点性。PVDF热像仪可检测出被测物体的温度分布,在工厂安全管理及医疗方面有着广泛的用途。利用PVDF的热电性还可制成活在报警器,防盗报警器、非接触温度计及激光功率计等。

据报道,美国联邦高速公路部门近年来将PVDF压电薄膜嵌入到了内制成到了传感器,可检测出公路上通过的交通工具的数量、重量以及个方向的力的分布;澳大利亚国防科技局航空实验室将PVDF压电薄膜用于检测复合材料中的冲击损伤和复合材料精神连接处的损伤,这在飞机安全状况的检测方面有着重要的作用;美国最近已研制出一种材料缺陷自动检测系统,其核心元件是一个0.2032×0.2032m的PVDF压电薄膜,其中含有1024个换能器,该装置可检测出大面积层结果和复合结构中的缺陷,可广泛用于航天航空工业、化工工业等方面。

PVDF压电薄膜还可用于许多高技术领域。在机器人的触觉传感中,PVDF最合适的因为它同事具有压电和热电效应。我们人类之所以能通过触觉感觉到物体的形状,质感及温度等,据研究就是因为人的皮肤能够产生压电效应和热点效应。目前用PVDF压电薄膜制成的触觉传感器已能感知温度和压力,区分边、角、棱等几何特征,甚至科技识别盲文,相信在不远的将来,这种传感器在某些功能上将可与人类的皮肤想媲美。

只能材料与结构式近年来较热门的一个研究课题。只能结构式将传感器元件、驱动元件和控制系统结合或融合进集体材料中而形成的一种材料系统,它能够感知外界环境变化并对这种变化作出主动响应。PVDF压电薄膜是只能结构中理想的传感元件,由于其重量轻,体积小、结构简单、可粘贴于材料的表面,,因为对结构的力学性能影响很小,与结构有着良好的相容性,并可在结构中大面积使用。有人预计,21世纪是只能材料的时代,那么作为只能材料传感元件之一的PVDF压电薄膜必将随着只能材料的广泛应用而在国民经济的各个领域大显身手。

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