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浅谈PVDF压电薄膜性能以及应用
发布时间:2019-05-20
  PVDF树脂主要是指偏氟乙烯均聚物或许偏氟乙烯与其他少量含氟乙烯基单体的共聚物 , PVDF树脂兼具氟树脂和通用树脂的特性 , 除具有良好的耐化学腐蚀性、耐高温性、耐氧化性、耐候性、耐射线辐射功能外 , 还具有压电性、介电性、热电性等特别功能 , 是现在含氟塑料中产量名列前列的大产品 , 全球年产能超越4.3万吨。现在 , 已测得PVDF的晶型有5种 。相、β相、γ相、ε相及ρ相。各种晶体结构的生成取决于加工条件 , 在一定条件(如拉伸、极化、浇注等处理方法)下 , 这些晶相之间能够互相转变。α相是5种晶型中能量极低 , 安稳的结构 , PVDF由液态缓慢冷却或由溶液流延构成薄膜时 , 通常都构成α相。经过拉伸、电极化后构成的日相PVDF显现出强的压电、热释电性质。PVDF具有较宽的作业温度范围 , 其体电阻高、质量轻、和婉性好 , 且机械强度高、频响宽。
 
  PVDF压电薄膜即聚偏氟乙烯压电薄膜是本世纪70年代在日本面世的一种新式高分子压电资料。到现在为止 , 上只要少量出产。o PVDF压电膜具有较高的化学安稳性、低吸湿性、高热安稳性、高抗紫外线辐射能力、高耐冲击、耐疲劳能力 , 其化学安稳性比陶瓷高0倍 , 在80℃以下可长期运用。PVDF压电膜质地柔软、重量轻 , 与水的声阻抗相近 , 匹配情况好 , 运用灵敏度高;PVDF压电膜在厚度方向的弹性振动的谐频率很高 , 能够获得较宽的平整呼应 , 频响宽度远优于一般压电陶瓷换能器;PVDF压电膜长处如下:() 良好的工艺性。可用现有设备进行加工;(2) 能制造大面积的灵敏元件;(3) 频带呼应宽(0~500MHz);(4) 声阻抗接近于人体安排和水 , 所以可用于诊断的灵敏设备结构中;(5) 具有高冲击强度(可运用于冲击波的传感器中);(6) 耐腐蚀性(在活性介质中运用时这种功能是需要的);(7) 相对介电常数较低;相应较高的压电常数值d33(约比其它压电资料高一个数量级以上)和热信号灵敏度(p/ε)值;(8) 与压电陶瓷比较有更低的导热性; 并能制得更薄的薄膜;(9) 柔软坚韧(PVDF的和婉系数约为PzT的30倍 , 并且轻(比重只要PzT的/4左右); 能制成所需的各种较杂乱的形状(锥形、穹顶形等) , 可运用在需求具有特别定向的元件中。
 
  总的来说:PVDF压电膜比石英、PzT等具有压电常数大 , 频响宽 , 机械强度好 , 耐冲击 , 质轻 , 柔韧 , 声阻抗易匹配 , 易加工成大面积 , 不易受水和一般化学品的污染、价格便宜等特色。它不仅在许多领域中可替代压电陶瓷资料运用 , 并且还能够运用在压电陶瓷资料不能运用的场合。因而它是一种极有开展前途的换能性高分子灵敏资料。
 
  PVDF压电薄膜因为其具有独特的介电效应、压电效应、热电效应。与传统的压电资料比较具有频响宽、动态范围大、力电转化灵敏度高、机械功能强度高、声阻抗易匹配等特色 , 并具有重量轻、柔软不脆、耐冲击、不易受水和化学药品的污染、易制成恣意形状及面积不等的片或管等优势。在力学、声学、光学、电子、丈量、红外、安全报警、保健、军事、交通、信息工程、办公自动化、海洋开发、地质勘探等技术领域运用非常广泛。产品主要有金、银、铝三个品种 , 膜厚30—500μm , 产品形状、面积巨细 , 可根据用户需求确定 , 是制造改善压力动态传感器和超声、智能探测的新式换能资料。
 
  PVDF压电薄膜在以下领域都有很多的运用:
 
  (一)医学丈量方面
 
  PVDF压电薄膜的出现为医学查看问题的处理供给了一种新的途径。运用 PVDF薄膜具有机械柔性的特色 , 开发了内窥镜查看用齿形触觉传感器 , 用于对灵敏性安排的力和顺应性进行丈量 , 为医学上灵敏安排的力和顺应性丈量供给了一种参阅方法。还有科学家研发了一种新式佩戴式心肺信号传感器设备 , 用于检测在家庭环境中 , 睡眠时的心肺信号。传感器设备由一对导电织物薄板和PVDF薄膜组成的传感器用于进行信号搜集 , 并规划了特别的电路 , 信号经 USB通讯模块与计算机传递信息并进行数据处理分析 , 结果显现开发的带状传感器系统显现了更大的潜力 , 有能力替代商业呼吸记载仪和心电图传感器。
 
  (二)触觉丈量方面
 
  触觉传感器的研讨一直是现代自动化机器人研讨的重点 , 近期模拟人手感觉作业的 PVDF触觉传感器已用在机器人研讨上。当 PVDF压电薄膜受力后发生电荷 , 按电荷量的巨细和散布来判别物体的形状 , 能与机器人的抓取系统协调作业[4]。用 PVDF压电薄膜做成 8 × 8的触觉传感器 , 丈量的信号经过 DSP的数字化处理和滤波处理 , 信号传输给个人电脑并进行可视化处理 , 被丈量物体的形状和力的散布情况实时由二维或三维图象给出。
 
  (三) 力学丈量方面
 
  因为 PVDF压电薄膜具有很强的压电功能 , 其压电常数 d比石英高 0多倍 , 压电参数 g的值比 PZT高约 20倍 , 在力学丈量方面的研讨成为基本的方向之一。如运用 PVDF压电薄膜的电荷输出与应变成正比的特性 , 它的直接的运用便是丈量结构的应变:将 4片方型 PVDF压电薄膜片粘贴在梁上 , 丈量其应变 , 并将其转化成结构的声强来作为差错信号 , 对梁的振动进行自动操控。
 
  (四)能量搜集方面
 
  能源问题是当时的一个重要课题 , 现在 , 人们正在研讨运用 PVDF薄膜对各种能量进行搜集和转化。如运用压电薄膜 PVDF制造的换能器 , 将PVDF薄膜植入动物体内 , 使动物呼吸发生的机械能转化为电能。多种将环境中的振动能量搜集设备正在研发之中。如搜集波能的理念用PVDF薄膜制造换能器 , 从小溪、河流或许管道的流水中转化为电能 , 对悠远区域的涓流充电电池进行供电。经过将压电元件置入鞋跟 , 将步行的能量进行搜集的设备已被开发了。
 
  (五)结构模态丈量方面
 
  因为 PVDF压电薄膜有其特别的积分特性 , 运用 PVDF压电薄膜对结构体的结构模态丈量研讨也是人们感兴趣的方向之一。运用方型PVDF压电薄膜粘贴在悬臂梁和简支板上能够丈量其固有频率、振型和模态阻尼比。]根据模态测验的原理 , 运用 PVDF压电薄膜形状传感器来丈量曲折振动梁表面的应变 , 作为模态滤波器。
 
  自从上世纪 80年代我国研发 PVDF薄膜以来 , 我国各大高校和科研院所都展开了 PVDF压电传感器的研讨作业。近年来 , 跟着国内经济的迅速开展 , PVDF薄膜传感器的研讨已经取得了突飞猛进的开展 , 部分研讨已经完成产品化。我信任 , 在未来PVDF压电薄膜的开展与运用会有更进一步的开展。


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