柔性压电复合材料的研究进展.pdfVIP

柔性压电复合材料的研究进展

张海兵

【摘要】压电材料被广泛应用于驱动器、换能器、医用仪器、车辆监控和传感器

等领域.其中柔性压电材料以其优异的柔韧性、机械性和加工性成为当前的研究热

点.本文通过不同类别的柔性压电材料的制备与应用,简要介绍其发展历程与研究方

向.

【期刊名称】《浙江化工》

【年(卷),期】2019(050)005

【总页数】4页(P1-4)

【关键词】压电材料;高分子聚合物;复合材料

【作者】张海兵

【作者单位】中化蓝天集团有限公司,浙江杭州310012

【正文语种】中文

通过施加机械应力，某些材料在其表面上产生电荷，且这种效应与机械应力成正比，

这被称为正向压电效应，于1880年由Pierre和Jacques[1]在石英中发现。同时

显示该现象的材料也相反地具有与施加电场成比例的几何应变，这是Gabriel[2]于

1881年发现的逆向压电效应。以石英和锆钛酸铅系列为代表的压电晶体与陶瓷具

有压电系数大、成本低的特点，已经被广泛应用于振荡器、转换器、引爆器、打火

机、护目镜、超声换能器、声纳等[3]领域，但其硬度大、不易加工和拉伸等特点，

无法满足人们的日常使用要求。因此，

科研人员开发了柔性压电复合材料[4]以改善当前无机压电材料的缺点，使新材料

既具备压电晶体与陶瓷的优点，又有化学性能稳定、柔软性能良好、较高的压电常

数和机电耦合系数的特点。

1柔性压电复合材料的研究进展

1.1聚偏氟乙烯基体压电材料

1969年，Kawai和Kureha[5]发现了聚偏氟乙烯（PVDF）的压电性，发现该材

料的极化薄膜压电系数大至6～7pCN-1，十倍于任何其他聚合物中观察到的压电

系数。PVDF具有多种晶体结构（α、β、γ、δ和ε晶型），其中β晶型拥有优异

的压电效应。由于PVDF具有韧性高、化学稳定性好、耐腐蚀和辐射等优异性能，

使其在能量收集领域、医疗领域、力学测量领域、电子设备领域等方面的应用水平

日趋成熟。

JinL[6]等通过高压熔融结晶法制备了一种无偏振PVDF压电纳米发电机，其作为

加速度传感器具有高灵敏度、出色的稳定性和优异的压电性能，通过将纳米发电机

集成在三个轴上，加速度传感器可用于任何方向的矢量加速度测量，具有在运输、

自供电设备和能量收集领域的商业生产潜力。Yildirim[7]等通过旋涂法制备了

PVDF-TrFE压电膜致动器，使用AFM测量膜表面粗糙度为7.9nm，复合膜厚为

1μm，致动器层为1.5μm，可应用于需要低驱动电压和生物相容性的医学应用中。

Freitas[8]等人通过球磨分散法制备了PVDFPZT复合薄膜，SEM结果表明：该薄

膜具有混合连接性，复合材料对施加的交流电压在4110HZ的响应为0.074

nm/V，作为声发射传感器的性能与标准麦克风在频率上的响应一致。Choi[9]等

通过复合掺杂法，将BaTiO3纳米线和PVDF合成了柔性无铅压电材料，通过改

变长宽比和掺杂浓度来研究复合材料的压电性能，发现长宽比增大后与纯BaTiO3

材料相比，其介电常数提高了800%以上，此外通过增加BaTiO3纳米线的浓度也

增强了介电常数和压电系数。Dodds[10]等人通过旋涂法制备了ZnO纳米粒子增

强的PVDF-TrFE薄膜，ZnO纳米颗粒的结合增强了复合膜的压电性，同时保持了

PVDF-TrFE的机械柔韧性。PVDF是当前柔性压电材料中使用最广泛的高分子材

料，把它作为基体和压电陶瓷或晶体复合能制得商业潜力大、柔韧性高、生物相容

性好、压电性能强的复合材料。

1.2环氧树脂基体压电材料

环氧树脂是晶体中具有两个及两个以上环氧基，且一定条件下可形成三维网状固化

物的化合物总称，具备力学性能高、附着力强、固化收缩率小、工艺稳定性强和绝

缘性优良等特点，同时价格低廉易于制备获取，在与无机压电材料复合后压电性能

方面表现优异。

Kim[11]等人采用多壁碳纳米管（MWCNTs）和环氧树脂/PZT为原料，通过旋涂

法制备高灵敏压电传感器，其中MWCNTs和环氧树脂的含量分别为81wt%和

19wt%，结果表明：分散在纳米复合膜中的少量CNTs可以显著改善膜的介电和

压电性质，制备的0.07wt%CNTs的环氧树脂-PZT