有机压电材料及应用.ppt
合集下载
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
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℃。
特点
压电性强、介电常数高、 压电性弱、介电常数低、 易加工成型 加工尺寸局限 机械品质因子低、 机械品质因子高、 电损耗大、稳定性差 稳定性好
柔韧性好、低密度、低 阻抗
应用 领域
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
PVDF与PZT比较
聚偏氟乙烯(PVDF)
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 压电陶瓷 压电晶体 有机压电材料
通压电薄膜的2个应用装置，即能够利用弯曲和扭 转的动作来控制电视机的遥控器，以及能够检测出手指向下按触摸屏的力度的具 有压力检测功能的触摸屏Touch Pressure Pad (压力式触摸板) 。
利用弯曲和扭转的动作来控制电视机的遥控器
分别使用了能够检测出弯曲度的压电薄膜和能够检测出扭转程度的压电薄膜， 此应用装置是能够通过用双手弯曲和朝相反方向扭转薄膜型机体来操纵电视 机的新感觉遥控器。
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， 并可在 结构中大面积使用。 比如，在机器人的触觉传感器中， 因为 PVDF压电膜同时具有压电和热释 电效应， 所以它是最合适的器件
谢谢
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
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
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
高透明度的有机压电薄膜的传感装置
至今为止，由于压电薄膜具有热释电性能，因此在使用压电薄膜的传 感装置的过程中，无法分别检测温度与弯曲度和扭转程度。
为此村田制作所开发出了一种有机压电薄膜， 具有压电常数大、透明度高的特点， 无热释电现象， 能够检测出弯曲度和扭转程度。 预计今后该压电薄膜将被广泛应用于各种人机界面。
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
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
具有压力检测功能的触摸屏“压力式触摸板”
由于压电薄膜不具有热释电性，所以手指温度不会产生电压的。因此该触摸 屏能够进行更高精度的检测。同时，该触摸屏不仅能够检测出手指的左右上 下方向的移动，还能够检测出手指向下按触摸屏的力度。
具有压力检测功能的触摸屏“压力式触摸板”
只要用手指向下按触摸屏，就能够放大画面。同时如果增大向下按触摸屏 的力量，放大画面的速度就会增快，相反如果减轻了该力量，放大画面的 速度就会减慢。
在医疗仪器中的应用 PVDF压电高聚物对生物组织的适应性和相容性很好，用它们制成的电子型人工脏器 及其组件将有可能移植到动物体内，用它们制成的医疗仪器已广泛使用。
用途 压电产品 监视血管移植修复术中血流扰动和脉动的 PVDF压力传感器 同时测量心脏内的压力和声音的 PVDF血管内诊断装置 监测婴儿呼吸状况的非接触长期呼吸监视装置 计测装置 同时测量指脉和呼吸波的指脉和呼吸测量装置 测量人体心率PVDF传感器 检测血流速度PVDF传感器 测量人体血压PVDF膜 测量足底压力PVDF膜 采集和记录人体脉像信息的脉像仪 测心音PVDF加速型心音传感器 信号发生器 将呼吸运动的部分能转换成电能的PVDF压电膜换能器 使用超声原理PVDF胎心音探测器用换能器 宫缩监视仪用超声换能器
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。
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
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℃。
特点
压电性强、介电常数高、 压电性弱、介电常数低、 易加工成型 加工尺寸局限 机械品质因子低、 机械品质因子高、 电损耗大、稳定性差 稳定性好
柔韧性好、低密度、低 阻抗
应用 领域
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
PVDF与PZT比较
聚偏氟乙烯(PVDF)
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 压电陶瓷 压电晶体 有机压电材料
通压电薄膜的2个应用装置，即能够利用弯曲和扭 转的动作来控制电视机的遥控器，以及能够检测出手指向下按触摸屏的力度的具 有压力检测功能的触摸屏Touch Pressure Pad (压力式触摸板) 。
利用弯曲和扭转的动作来控制电视机的遥控器
分别使用了能够检测出弯曲度的压电薄膜和能够检测出扭转程度的压电薄膜， 此应用装置是能够通过用双手弯曲和朝相反方向扭转薄膜型机体来操纵电视 机的新感觉遥控器。
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， 并可在 结构中大面积使用。 比如，在机器人的触觉传感器中， 因为 PVDF压电膜同时具有压电和热释 电效应， 所以它是最合适的器件
谢谢
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
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
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
高透明度的有机压电薄膜的传感装置
至今为止，由于压电薄膜具有热释电性能，因此在使用压电薄膜的传 感装置的过程中，无法分别检测温度与弯曲度和扭转程度。
为此村田制作所开发出了一种有机压电薄膜， 具有压电常数大、透明度高的特点， 无热释电现象， 能够检测出弯曲度和扭转程度。 预计今后该压电薄膜将被广泛应用于各种人机界面。
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
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
具有压力检测功能的触摸屏“压力式触摸板”
由于压电薄膜不具有热释电性，所以手指温度不会产生电压的。因此该触摸 屏能够进行更高精度的检测。同时，该触摸屏不仅能够检测出手指的左右上 下方向的移动，还能够检测出手指向下按触摸屏的力度。
具有压力检测功能的触摸屏“压力式触摸板”
只要用手指向下按触摸屏，就能够放大画面。同时如果增大向下按触摸屏 的力量，放大画面的速度就会增快，相反如果减轻了该力量，放大画面的 速度就会减慢。
在医疗仪器中的应用 PVDF压电高聚物对生物组织的适应性和相容性很好，用它们制成的电子型人工脏器 及其组件将有可能移植到动物体内，用它们制成的医疗仪器已广泛使用。
用途 压电产品 监视血管移植修复术中血流扰动和脉动的 PVDF压力传感器 同时测量心脏内的压力和声音的 PVDF血管内诊断装置 监测婴儿呼吸状况的非接触长期呼吸监视装置 计测装置 同时测量指脉和呼吸波的指脉和呼吸测量装置 测量人体心率PVDF传感器 检测血流速度PVDF传感器 测量人体血压PVDF膜 测量足底压力PVDF膜 采集和记录人体脉像信息的脉像仪 测心音PVDF加速型心音传感器 信号发生器 将呼吸运动的部分能转换成电能的PVDF压电膜换能器 使用超声原理PVDF胎心音探测器用换能器 宫缩监视仪用超声换能器
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。
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