有机压电材料和应用.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：α，β，γ，δ α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，δ β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 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 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，