【摘要】：壓電高聚物由于其優(yōu)良的壓電和熱電性能以及低成本、良好的柔韌性和高的化學(xué)穩(wěn)定性,廣泛地用于制作高精度傳感器、驅(qū)動器位移器等電子元器件。高β晶的PVDF壓電薄膜具有頻響寬、機械性能強度高、力電轉(zhuǎn)換靈敏度高等特點,具有很高的研究與應(yīng)用價值。為尋求進一步促進PVDF壓電β相生成與轉(zhuǎn)變的方法,本文采用近電場打印聚偏氟乙烯(Polyvinylidene fluoride,PVDF)壓電薄膜,探究打印液中PVDF濃度、添加多壁碳納米管(MWCNTs)和石墨烯(GR)以及電場分布情況對PVDF壓電薄膜β相轉(zhuǎn)變的影響。研究結(jié)果表明:(1)當(dāng)打印液中PVDF濃度在12wt%～16wt%較低濃度范圍內(nèi),PVDF壓電薄膜結(jié)晶度、β相相對含量F(β)以及薄膜β相總含量均隨著PVDF濃度的升高而提升。而當(dāng)PVDF濃度為16wt%～22wt%較高范圍時,PVDF壓電薄膜的結(jié)晶度、F(β)以及薄膜β相總含量趨于穩(wěn)定,此時濃度不再是主要影響因素。當(dāng)PVDF濃度高于22wt%時,由于打印液粘度過大,無法正常出絲,打印無法順利進行。(2)片層結(jié)構(gòu)的GR不會像MWCNTs一樣由于濃度的提升而彼此纏繞,GR具有比MWCNTs更大的比表面積,能夠更容易降低引導(dǎo)PVDF分子在其表面結(jié)晶的位壘,并且電荷在層狀GR的表面積聚,使得相鄰的石墨烯片之間產(chǎn)生弱電場,促進PVDF分子鏈有序取向生長,使得β相的轉(zhuǎn)變更易發(fā)生,其作用效果優(yōu)于MWCNTs。(3)使用COMSOL Multiphysics 5.3a建立五種近電場簡化打印模型,結(jié)合實際打印情況優(yōu)選出模型1、模型2、模型5三種不同電場作用模式,其中模型5對應(yīng)的電場強度較強,分布最為均勻,最高可達6.31×10~5V/m,最小值為5.11×10~5V/m。(4)在最優(yōu)均勻電場和添加GR的共同作用下,PVDF/GR壓電薄膜的結(jié)晶度為58.53%,F(β)達88.13%,β相總含量為51.58%,高于非均勻電場下PVDF/GR壓電薄膜的β相總含量(47.27%),且薄膜電壓靈敏度和輸出電壓V_(P-P)值最優(yōu),頻率靈敏度較好。
【圖文】：

圖 1.1 PVDF 分子鏈構(gòu)型Fig. 1.1 Molecular chain configuration of PVDF發(fā)現(xiàn)，在一定溫度的拉伸過程中 PVDF 會發(fā)生晶型的轉(zhuǎn)化，PVD下或經(jīng)退火處理也可制備β晶。Satyanarayana K C 等[43]研究發(fā)晶體沒有應(yīng)變時，需要垂直于 PVDF 分子軸的較大電場誘導(dǎo)（至少能實現(xiàn)α-到β-PVDF 相轉(zhuǎn)變。然而，當(dāng)應(yīng)變?yōu)?1.0475（即當(dāng)晶體被時，α-PVDF 轉(zhuǎn)變?yōu)棣?PVDF 結(jié)構(gòu)。Nakamura 等[44]研究表明，α球晶伸的聚偏氟乙烯初始膜中，而拉伸使球晶轉(zhuǎn)變成β片晶。楊兵初等著退火溫度的升高，PVDF 薄膜β晶相的比例升高，而α晶相比例有溫度為 80℃時β晶相比例為 41.7%，α晶相比例為 42.2%。退火溫β晶相比例為 44.8%，α晶相比例為 35.3%。馬松原等[46]研究表明當(dāng)00 MPa 時，聚偏氟乙烯/碳量子點復(fù)合材料主要生成球晶結(jié)構(gòu)，當(dāng)為 500 MPa 時，則其材料生成大量取向的β晶體。

復(fù)合膜的斷裂應(yīng)力和彈性模量分別提高了 4.5～16 倍和 17.5～37 倍。Yuan Jiang等人[81]采用靜電紡絲法制備了含銀納米粒子的聚偏氟乙烯（PVDF）納米纖維氈，施加電壓 20kV，針尖和接收器之間的距離為 20cm，設(shè)定流速 1mL/h。掃描電子顯微鏡顯示，納米纖維的直徑在 100 到 300 納米之間。Xiong Xi 等人[82]采用靜電紡絲法制備了含 30%二氧化硅的聚偏氟乙烯（PVDF）/二氧化硅納米復(fù)合膜，滾筒在距離針尖 15 厘米處作為旋轉(zhuǎn)收集器放置。電壓保持在 20kV，溶液流速為1mL/125min。用場發(fā)射掃描電鏡觀察纖維形態(tài)，平均纖維直徑約為 0.3μm。靜電紡絲法制備 PVDF 壓電薄膜往往需要比較高的電壓（8～20kV），針頭到滾桶收集器之間距離較長（15～40cm），射流出現(xiàn)鞭動現(xiàn)象明顯。并且通過滾桶接收得到的 PVDF 壓電薄膜中的 PVDF 纖維之間互相纏繞，，排列雜亂無序，成膜的尺寸、厚度等參數(shù)都無法控制，膜表面質(zhì)量差，表面形貌如圖 1.2（a）所示[83]。雖然纖維絲中β晶含量可以得到較大幅度的提高，但薄膜是絲與絲以無序（a）（b）
【學(xué)位授予單位】：江蘇大學(xué)
【學(xué)位級別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號】：TP212;TB383.2

【參考文獻】

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本文編號：2709148