發(fā)布時(shí)間：2020-04-08 11:10

【摘要】：隨著現(xiàn)代科技的不斷進(jìn)步,新型智能設(shè)備逐漸向著微型化、輕量化、多功能化、柔性化以及便攜性等方向發(fā)展。例如可穿戴醫(yī)療和可植入壓力傳感等領(lǐng)域,對(duì)壓電材料的柔性、輕薄性都有著更高的要求,而傳統(tǒng)壓電陶瓷不易形變同時(shí)對(duì)環(huán)境會(huì)造成污染。偏氟乙烯三氟乙烯共聚物(PVDF-TrFE)作為最具代表性的壓電聚合物材料,擁有較高的壓電系數(shù)和天然的柔韌性,成為了眾多研發(fā)人員密切關(guān)注的研究熱點(diǎn)。而其中如何快速有效的提高PVDF-TrFE的壓電性能成為其應(yīng)用的關(guān)鍵。因此,本文主要針對(duì)PVDF-TrFE壓電材料從工藝優(yōu)化和摻雜改性等方面對(duì)材料性能進(jìn)行改進(jìn)提升,同時(shí)還對(duì)材料在超聲響應(yīng)和能量收集等方面的應(yīng)用進(jìn)行初步探究。具體結(jié)論如下:在工藝優(yōu)化和摻雜改性方面,本文針對(duì)干燥、退火、和極化條件進(jìn)行了相關(guān)優(yōu)化驗(yàn)證,同時(shí)對(duì)摻雜還原氧化石墨烯(rGO)進(jìn)行了探究。在干燥階段,相較熱烘干燥而言,經(jīng)過真空干燥的PVDF-TrFE薄膜表面缺陷更少,同時(shí)厚度也更加均勻。熱處理環(huán)節(jié)中,不同的退火溫度和退火時(shí)間會(huì)影響到材料結(jié)晶度以及居里溫度T_c的變化。在140℃下退火1h,PVDF-TrFE可以得到高純度的β晶。之后通過自行設(shè)計(jì)的等離子體原位極化設(shè)備進(jìn)行極化操作,在7.5kV極化電壓下,PVDF-TrFE薄膜的縱向壓電系數(shù)可以達(dá)到24.7pC/N。對(duì)于摻雜有還原氧化石墨烯的PVDF-TrFE薄膜,由于rGO和PVDF-TrFE之間鏈段和偶極的相互作用,其結(jié)晶性能得到了顯著提高,rGO摻雜比例為0.1wt%時(shí),壓電系數(shù)可以達(dá)到34.0pC/N。但是摻雜濃度繼續(xù)上升時(shí),會(huì)形成導(dǎo)通影響到極化效果,最終導(dǎo)致壓電性能變差。在材料能量收集和超聲響應(yīng)的應(yīng)用方面,本文探究了應(yīng)力與響應(yīng)強(qiáng)度,環(huán)境溫度和壓電性能之間的聯(lián)系。隨著應(yīng)力遞增,PVDF-TrFE薄膜能量響應(yīng)靈敏且開路電壓和短路電流均逐步提升。在5N的應(yīng)力條件下,對(duì)摻雜有rGO的PVDF-TrFE壓電器件進(jìn)行能量收集性能檢測(cè),發(fā)現(xiàn)rGO摻雜比例為0.1wt%時(shí),可以得到最大開路電壓為8.32V,最大短路電流為0.59μA,對(duì)應(yīng)的最大能量密度為28.7W/m~3。在諧振頻率下,壓電器件超聲波響應(yīng)產(chǎn)生的響應(yīng)電壓可以達(dá)到0.017mV。其壓電性能會(huì)隨著環(huán)境溫度的增大而減小,在50℃的環(huán)境溫度下,超聲性能衰減大約50%,升溫到90℃后恢復(fù)常溫,PVDF-TrFE仍然具有可逆的壓電效應(yīng)。而當(dāng)升溫至接近居里溫度Tc后恢復(fù)到常溫,材料的壓電性能會(huì)發(fā)生不可逆的衰減。
【圖文】：

例如，有研究通過添加一些成核劑（如蒙脫土，多壁碳納米管，M化鋰）來提高 β 晶含量[56-58]。Mao[59]等人利用 ZnO 納米顆粒(NPs)制備了狀的多孔壓電薄膜，最終得到的 PVDF 壓電性能有了明顯提高如圖 1-1。將 PVDF 和 ZnO 納米顆粒(NPs)的混合物澆注在平面上，然后用鹽酸溶液 納米顆粒制備了該介孔 PVDF 膜。ZnO 納米顆粒不僅可以利用孔洞的形 PVDF 薄膜的力學(xué)性能，同時(shí)還有助于 β 晶相的形成。因?yàn)?ZnO 納米顆表面分別可以與具有正電荷密度的PVDF的-CH2-鏈段和帶負(fù)電荷密度的發(fā)生相互作用，從而觸發(fā) β 晶相凝聚成核。也有一些研究者采用常規(guī)聚 PVDF 的熱處理工藝進(jìn)行了優(yōu)化。例如，，Tiwari[60]等人發(fā)現(xiàn)淬火溫度會(huì)DF 的結(jié)晶度和 β 晶相的含量。其發(fā)現(xiàn)在 20℃的淬火溫度下，PVDF 中 β 晶達(dá)到了最大值。同時(shí)研究者還探索出了提高PVDF中β晶含量的新方法。S利用簡(jiǎn)單的相位反演技術(shù)，將樣品在-20℃的溫度下淬火后，得到的 PVD體組分幾乎為純 β 晶相。最終制得的 PVDF 薄膜的壓電特性得到了極大壓電系數(shù) d33 的絕對(duì)值可達(dá) 49.6 pm/V，而普通 PVDF 薄膜的 d33 僅C/N。

圖 1-2 PVDF 壓電電容器的結(jié)構(gòu)[84]提出了一種基于膨脹技術(shù)的 PVDF 圓頂型壓電觸覺傳一片用于電極保護(hù)的聚酰亞胺薄膜，一種凹凸結(jié)構(gòu)板撐作用的 PDMS 膜片構(gòu)成了這個(gè)傳感器模塊。壓電傳力通過壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)。當(dāng)外加法向力作用時(shí)器件輸出與變形成正比的電壓。與傳統(tǒng)的扁平化裝置敏度�？梢詰�(yīng)用于在機(jī)器人觸覺傳感、柔性穿戴等領(lǐng)
【學(xué)位授予單位】：電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：碩士
【學(xué)位授予年份】：2019
【分類號(hào)】：TM22;TB383.2

【參考文獻(xiàn)】

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1 Nai-Feng Hsu;Tien-Kan Chung;Ming Chang;Hong-Jun Chen;;Rapid Synthesis of Piezoelectric ZnO-Nanostructures for Micro Power-Generators[J];Journal of Materials Science & Technology;2013年10期

相關(guān)碩士學(xué)位論文 前1條

1 趙洪利;PVDF壓電薄膜傳感器的研究及其在PCBA模態(tài)分析中的應(yīng)用[D];江蘇大學(xué);2009年

本文編號(hào)：2619272