资源描述
,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,*,*,本资料仅供参考，不能作为科学依据。谢谢,高分子压电材料及热电材料,第1页,概述,(一)压电性及热电性定义和表征,一些物质受外力则产生电荷，反之，若加电压时则发生形变，物质这种性能称为压电性(Piezoelectricity)。一些物质当温度改变时则产生电荷，这种性能称为热电性(Pyroelectricity)。,第2页,从本质上讲，压电性及热电性分别是指应力T(或应变S)与温度引发材料电极化强度P改变。压电性与热电性之强弱能够用压电常数d和热电常数P来衡量。,压电常数d表示平均应力极化(或电位移)或平均电场形变率。前者为正效应，后者为逆效应。,D(Qm,2,)是极化，T(Nm,2,)是应力；S是形变率(无单位)；E(vm)是电场,第3页,热电常数P表示平均温度改变电位移,为绝对温度。,。压电体首先必需是介电体；其次，部分压电体又是热电体。所以，热电体隶属于压电体，压电体隶属于介电体。,第4页,各向同性非晶态聚合物对应力响应与方向无关，不能预示在零电场时它会有压电及热电响应。然而若人为地使样品内分子偶极子排布从优取向，则样品就可能含有压电及热电效应。,第5页,对于晶态聚合物，可将压电张量与热电张量分量记为。,第6页,沿十3方向拉应力将使样品厚度增加电极电荷下降，故d,33,为负，记为d,33,-,沿1与2方向应力使样品厚度下降，电极电荷增加，因而d,31,与d,32,为正。d,24,与d,15,分别代表切应变力T,4,与T,5,产生压电常数分量，因为绕轴l发生正切变，切变应力T,4,使偶极子由十3方向旋转到十2方向，在切应变前，电位移D,2,0，切应变后，1与3方向因切变前后状态不变而不发生压电效应，即d,24,0，d,14,d,34,0同理，切变应力T,5,使偶板子由十3方向旋转到十1方向，即d,15,0,d,25,d,35,0至于切变应力T,6,因它不使1、2、3方向极化状态改变，故d,16,d,26,d,36,0,第7页,热电常数。因为沿1、2轴不存在净偶极矩，故p,1,=p,2,0，温度增加使晶体膨胀，极化强度下降，故p,3,负，记为p,3,-,第8页,压电高分子材料分类,即使几乎全部高分于材料都含有一定压电性，通常可把含有实用价值压电高分子材料分为3类：天然高分子压电材料，合成高分子压电材料；复合压电材料（晶态高分子十压电陶瓷，非晶高分子十压电陶瓷）,第9页,当前压电性较强高分子材料除了PVDF及其共聚物之外，还有聚氟乙烯(PVF)、聚氯乙烯(FVC)、聚甲基L谷氨酸酯(PMLG)、聚碳酸酯(Pc)和尼龙11等。,高聚物含有柔而韧、可制成大面积薄膜、便于大规模集成化、力学阻抗低、易于与水及人体等声阻抗配合等优越性，比常规无机压电材料及热电材料(比如酒石酸钾钠、水晶、钛酸钡等)有更为广泛应用前景。,第10页,高分子压电材料,天然高分子和合成多肽压电材料,晶格对称天然高分子和合成多肽含有压电性和热电性,第11页,室温下脱水天然高分子压电常数,第12页,室温下合成多肽压电常数,第13页,高分子驻极体,聚偏二氟乙烯，聚氯乙烯、尼龙11和聚碳酸酯等极性高分子在高温下处于软化或熔融状态时，若加以高直流电压使之极化，并在冷却之后才撤去电场，使极化状态冻结下来对外显示电场，这种半永久极化高分子材料称为驻极体。,第14页,驻极体中电荷类型,第15页,驻极体内保持电荷包含真实电荷（表面电荷及体电荷)与介质极化电荷，真实电荷是指被俘获在体内或表面上正、负电荷，极化电荷是指定向排列且被“冻住”偶极子就驻极体取得表面电荷来说，真实电荷表面电荷通常与外加电场电极极性相同称为同号电荷(homocharge)，源自由极注入，极化电荷表面电荷与外加电场电极极性相反，称为异号电荷(hete rocharge)普通这两种电荷并存。应指出，异号电荷也可能由载流子移到异极性电极附近形成通常极化强度在驻极体内呈均匀分布，等效于在其表面出现面束缚电荷，但有时极化强度P为坐标函数，对驻极体体电荷密度有贡献,第16页,高分子驻极体电荷不但分布在表面，而且还含有体积分布特征。所以若在极化前将薄膜拉伸，即可取得强压电性。,第17页,普通惯用下述方法制备驻极体：,热驻极体是由热活化电介质中分子偶极子在电场作用下极化经冷却冻结而制成。对于高聚物，其极化电场约为几十千伏每米，热活化温度要在玻璃化温度以上。,电驻极体是在室温下经过强电场作用制成驻极体。,电晕驻极体是经过聚合物表面上方气隙放电作用制成驻极体,光驻极体是指聚合物在电场中经光照射作用而制成驻极体。,辐射驻极体是指聚合物在电场中经,射线、X射线、电子或离子束辐射而形成驻极体。通常这类驻极体相对于其它方法制成驻极体含有不稳定性,第18页,聚偏二氟乙烯(PVDF),PVDF不但含有优良压电性、热电性，而且还含有优良力学性能，PVDF密度仅为压电陶瓷14，弹性柔顺常数则要比陶瓷大30倍，柔软而有韧性，耐冲击，它既能够加工成几微米厚薄膜，也可弯曲成任何形状，适合用于弯曲表面，易于加工成大面积或复杂形状，也利于器件小型化。因为它声阻低，可与液体很好地匹配。,第19页,PVDF压电薄膜 物理力学性能,第20页,PVDF薄膜一部分是结晶型，一部分是非结晶型，结晶度为(3540)10-2。当PVDF挤压出来时，主要成份是非压电性、非极性晶相。在高温延伸或轧制薄膜时，才会使其中一部分转换成压电性相。,第21页,PVDF压电薄膜制备,首先用流涎法或热压法制成。型PVDF薄膜所谓流涎法就是将PVDF树脂溶于溶剂(如二甲基甲酰脓)中，配成溶液，流涎于平板上，在一定温度下干燥后即得薄膜。所谓热压法就是将PVDF树脂加热，用辊压机压制成薄膜。用这两种方法制得薄膜通常以晶型为主，原始薄膜厚约50400 m。,然后在120左右经过单轴拉伸，使。型PVDF蒲膜转变为多型结构。拉速普通为20mmmin拉伸45倍时可得到主要含型PVDF薄膜。,第22页,接着在拉伸膜两面蒸镀金、银、铝等金属电极，电极厚度约01m。也可在室温下将拉伸膜电晕极化处理后再蒸镀电极。电晕极化条件是电场强度为10一40kVm，时间为20一30s。,最终是热极化。极化温度为80一100，极化场强约5kVm，极化时间为30一60 min。,经过极化处理后，就可得到含有永久极化强度、压电常数和热电常数驻极体。,第23页,复合压电材料,把含有高极化强度铁电粉末(如BaTiO,3,，PZT)混入高分子压电材料中，极化后得到含有较强压电性可挠性高分子复合压电材料。,第24页,高分子复合压电材料制备,1原料选择。高分子材料用尼龙、聚甲基丙烯酸甲酯和聚偏二氟乙烯等粉末或颗粒铁电粉末用BaTio,3,、PZT陶瓷微细粉末。复合压电材料性能与高分子基材和铁电粉末相关，,第25页,2成型。当前惯用轧辊法和流涎法进行复合轧辊法是在高分子软化点附近混炼高分子和陶瓷粉末，然后造粒或新压成片状或其它形状。流涎法是先将高分于材料溶解于适当溶剂(酮类)中，然后加入陶强粉末，用球磨等方法使其形成泥浆状复合物。这种复合物流涎到玻璃板上，干燥成膜,第26页,3极化在聚合物薄膜两面上用镀膜或涂覆等方法附上电极，然后加直流高压电进行极化处理，使有压电性。最正确极化条件因聚合物种类不一样而有所差异，极化电压、保压时间和极化温度跟压电陶瓷大致相同。,第27页,高聚物结构与压电性关系,普通认为，聚合物压电性与单位体积中偶极子偶极矩及偶极子数目相关。因而应与聚合物链上序列结构规整性相关，即与头尾、头头结构或尾尾结构百分比相关。,第28页,聚偏氟乙烯链序列结构,单体链节A是正常头尾结构，而B、C、D是头头或尾尾结构，是不规整链节，就会有反方向CF,2,-偶极子，从而降低压电率,第29页,聚合物极性与其晶相结构相关PVDF在结晶时依赖于条件能够生成三种晶相，即、相，并在一定条件下能够相互转化，相晶体结构属单斜晶系(=90,。,)，链含有一个滑移型tgtg(t表示反式，g表示左旁式，g旁式)构象，含有与链轴垂立及相平行偶极矩分量。同一晶胞内两条链偶极矩呈反平行，故晶体没有自发极化，呈反极化。当PVDF薄膜在130以下定向拉伸到原始长度几倍时，就出现晶相，用于正交晶系，相晶体中链是扩展平面锯齿型t t t t构象。在垂直链轴方向偶极矩大(约为7.0610,-30,cm)，同一晶胞内两条链偶极矩相互平行，因而晶体有自发极化，为极性晶体。晶相是PVDF在低于熔点湿度和普通大气压下结晶得到，或在高温下经过熔融结晶得到。晶相红外光谱与晶相十分类型，用于正交晶系，链构象近似为ttttgtttt g,第30页,PVDF及晶相结构示意图,(大圆图 代表氟原子，小圆图 代表碳原子，未画出氢原子),第31页,因为材料压电常数与极化强度成百分比关系，因而伴随单向位伸比增加，相向相转化也增加，压电性也随之增大。,第32页,压电性机制,多数人认为PVDF压电性是晶区固有特征即体主动化度所引发，,第33页,高分子热电材料,高分子材料产生热电性原因与产生压电性基本相同，主要是因为分子中偶极子取向、杂质电荷分布改变以及电极注入效应引发材料自发极化而致。,第34页,当温度发生改变时，自发极化强度也发生改变，材料表面电荷平衡被破坏，从而产生热电流，以PVDF为基材复合物，未极化时几乎没有热电流，极化后在80左右能够观察到热电流极大值。以尼龙为基材复合物极化后热电流极大值也在80左右，高分子热电复合材料性能不但与无机热电粉末性能相关，而且还主要取决于高分子基体材料,第35页,高分子压电材料及热电材料应用,1电声换能器。利用聚合物压电薄膜横向、纵向效应，可制成扬声器、耳机、扩音器、话筒等音响设备，也可用于弦振动测量。比如用厚30m，直径为10 mmPVDF压电膜作话筒中振膜，灵敏度达70dB，静电容量为700 pF，信噪比比静电型好，在市场上竞争力强。,第36页,2双压电晶片。将两片压电薄膜反向粘合起来，当一方拉伸时，另一方压缩。PVDF双压电片比无机双压电晶片产生大很多位移量。用PVDF双压电晶片可制成无接点开关，振动传器，压力拴测器等。在一样应力情况下输出电压是用锆钛酸铅Pb(Zr，Ti)0,3,(PzT)制造感器7倍左右,第37页,3超声、水声换能器。因为PVDF压电薄膜与水声阻抗相近。柔韧性好，能做成大面积膜和为数众多阵列传感点，且成本低，所以是制造水声器理想材料。可用于监测潜艇、鱼或水下地球物理探测。也可用于液体或固体中超声波接收和发射。,第38页,4医用仪器。PVDF声阻抗与人体匹配得很好，可用来测量人体心声、心动、心律、脉博、体温、pH值、血压、电流、呼吸等一系列数据。当前还用来模拟人体皮肤。,第39页,5热电换能器。PVDF作热电换熊器优点是居里温度相当高，热扩散率小，化学惰性强，所以很适合于作二次情报处理，热画像清楚，可用作热光导摄像管、红外辐射光探测器。另外还可作温度监控器、火灾报警器、红外静电复印机、不接触温度计等。,第40页,6其它应用。压电高分于材料还可用于地震监测，大气污染监测，引爆装置，地下爆破监测，各种机械振动，撞击监测、干扰装置、信息传感器，电能能源，助听器，计算机和通讯系统中延迟线等方面。,第41页,作业,1何谓高分子压电材料？它功效是什么?可用于哪些方面?,2简述PVDF压电薄膜制造过程。,第42页,
展开阅读全文
浙ICP备2021020529号-1 | 浙B2-20240490 
