壓電高分子材料

1、壓電高分子（高聚物）材料壓電高分子（高聚物）材料Piezoelectric Polymer Materials 報告人：報告人： 符彩濤符彩濤 學(xué)學(xué) 號：號：157692196157692196 材料工程材料工程 目錄目錄壓電高分子壓電高分子主要應(yīng)用主要應(yīng)用發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀應(yīng)用前景應(yīng)用前景表征與模擬表征與模擬1.發(fā)展現(xiàn)狀發(fā)展現(xiàn)狀強度及韌性高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、強度及韌性高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、抗沖擊能力強抗沖擊能力強 壓電高聚物的發(fā)展已有三四十年的歷史，但至今科技工作者對其壓電性的成因及其性能的研究仍處于探索階段。 1965 年 Harris 和 Allison 等實現(xiàn)了塑料的沖擊感應(yīng)極化，隨后對生物高

2、分子壓電性的研究日益廣泛。Peterlin 等在 1967 年觀察了聚偏氟乙烯( PVDF)的值，也確認了它的壓電性。胡 南,劉雪寧,楊治中. 聚合物壓電智能材料研究新進展A. 高分子通報,2004. 1972 年日本的北山、中村合作試制了 PVDF + BaTiO3 的柔性復(fù)合材料，又開辟了壓電高聚物用于壓電復(fù)合材料的新途徑，使壓電高聚物向?qū)嵱没芯糠较蛴诌~出一步。 如今，PVDF 及其它壓電高聚物已作為一種極有前途的新型壓電材料制成各種壓電元器件，開始向科技和產(chǎn)業(yè)方向拓展。2.壓電高分子壓電高分子強度及韌性高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、強度及韌性高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、抗沖擊能力強抗沖擊能力強 壓電高分子材

3、料是指能實現(xiàn)機械效應(yīng)(壓力)和電效應(yīng)(電壓)相互轉(zhuǎn)換的高分子材料。2.1 定義定義壓電薄膜傳感器壓電薄膜傳感器2.壓電高分子壓電高分子 壓電高分子材料的分類：2.2 分類分類 天然壓電高分子材料天然壓電高分子材料 合成壓電高分子材料合成壓電高分子材料 復(fù)合壓電材料復(fù)合壓電材料 結(jié)晶高分子結(jié)晶高分子+壓電陶瓷壓電陶瓷 非晶高分子非晶高分子+壓電陶瓷壓電陶瓷壓電復(fù)合材料晶片壓電復(fù)合材料晶片2.壓電高分子壓電高分子強度及韌性高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、強度及韌性高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、抗沖擊能力強抗沖擊能力強2.3 性能性能具有壓電性；具有壓電性；柔而韌，可制成大面積薄膜，便于大規(guī)模集成化；柔而韌，可制成大面積薄膜

4、，便于大規(guī)模集成化；具有力學(xué)阻抗低，易于與水及人體等聲阻抗配合。具有力學(xué)阻抗低，易于與水及人體等聲阻抗配合。2.壓電高分子壓電高分子強度及韌性高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、強度及韌性高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、抗沖擊能力強抗沖擊能力強2.3 性能性能 高聚物同時還具有高的強度和耐沖擊性，顯著的低介電常數(shù)，柔性，低密度，和由此帶來的對電壓的高度敏感性 （ 優(yōu)異的傳感器特性），低的聲阻抗和機械阻抗（ 對于醫(yī)學(xué)和水下應(yīng)用至關(guān)重要）。 高聚物還具有較高的介電擊穿電壓，比壓電陶瓷能夠承受更高的極化電場和工作電場。 壓電高聚物還可以實現(xiàn)在薄膜表面形成電極和選擇性區(qū)域極化。 基于以上優(yōu)良性能，高聚物壓電材料在技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域和器件配

5、置中占有其獨特的地位。與壓電陶瓷相比：與壓電陶瓷相比：胡 南,劉雪寧,楊治中. 聚合物壓電智能材料研究新進展A. 高分子通報,2004.2.壓電高分子壓電高分子最有使用價值的壓電材料最有使用價值的壓電材料2.4 兩種特有的材料兩種特有的材料 偶極取向可在冷卻后被固定，能長期保持極化狀態(tài)的聚合物電解質(zhì)材料。主要有兩種類型： 一種是高絕緣性材料，如聚四氟乙烯和氟乙烯與丙烯的共聚物，它們具有相當(dāng)好的保持注入電荷的能力。 另一種是可極化聚合物，子內(nèi)存在永久偶極矩，這種材料極化后，在一定溫度范圍內(nèi)可以保持其偶極子的指向性。2.壓電高分子壓電高分子強度及韌性高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、強度及韌性高、導(dǎo)電導(dǎo)熱性好、抗

6、沖擊能力強抗沖擊能力強2.4 兩種特有的材料兩種特有的材料優(yōu)良的壓電高分子材料優(yōu)良的壓電高分子材料 密度為壓電陶瓷的1/4 彈性柔順常數(shù)要比陶瓷大30倍 柔軟而有耐性、耐沖擊，既可以加工成幾微米厚的薄膜，也可以彎曲成任何形狀，也利于器件小型化 聲阻低，可與液體很好的配合2.壓電高分子壓電高分子2.5 壓電高分子的結(jié)構(gòu)要求壓電高分子的結(jié)構(gòu)要求 壓電效應(yīng)是許多非中心對稱的陶瓷、聚合物、生物體系的特性。 無論聚合物壓電材料的形態(tài)如何 （ 半結(jié)晶或非晶）壓電性能的產(chǎn)生對聚合物結(jié)構(gòu)都有著五項基本的要求： 存在永久分子偶極 （ 偶極距）； 單位體積中偶極的數(shù)量 （ 偶極濃度 N）必須達到一定數(shù)值 分子偶極

7、取向排列的能力 取向形成后保持取向排列的能力 材料在受到機械應(yīng)力作用時承受較大應(yīng)變的能力。3.表征與模擬表征與模擬3.1 表征表征 大多數(shù)用于壓電陶瓷的壓電性能表征的方法都適用于壓電高聚物。 基于共振分析和等價電路的方法可以被用來表征半結(jié)晶 PVDF 和其共聚物， IEEE 標(biāo)準(zhǔn)中有所概述 。 共振分析應(yīng)用于壓電高聚物研究的細節(jié)問題在 Sherrit 和 Bar-Cohen 有所探究 。 由于 IEEE 標(biāo)準(zhǔn)方法對高聚物本性的損耗，還需要其他的表征技術(shù)來更精確地描述材料壓電性能。 準(zhǔn)靜態(tài)直接法就是一種適應(yīng)性很強的方法，能夠充分研究聚合物壓電響應(yīng)。 這種直接方法尤其適于非晶高聚物的表征研究。 熱

8、激勵電流測量（ TSC）方法用于測量高聚物的剩余極化強度，應(yīng)變和電荷的直接測量方法用于研究與電場，頻率和應(yīng)力相關(guān)的壓電系數(shù)。胡 南,劉雪寧,楊治中. 聚合物壓電智能材料研究新進展A. 高分子通報,2004.3.表征與模擬表征與模擬3.2 模擬模擬胡 南,劉雪寧,楊治中. 聚合物壓電智能材料研究新進展A. 高分子通報,2004. 模擬高聚物壓電行為的方法論根據(jù)研究對象特點不同而不同。 這些方法涵蓋了從宏觀到微觀以及原子規(guī)模的范圍。 用于高聚物壓電材料的計算方法在許多文獻 中都有所討論。 在一些情況下，模擬可以直接預(yù)測一些無法進行實驗的行為。 數(shù)值模擬方法可以了解不同偶極的貢獻，而通過實驗結(jié)果則無

9、法推斷。 而且模擬方法對于指導(dǎo)新材料的合成也是有很高價值的。 如對于 PVDCN-VAC 的模擬，對于理解由協(xié)同運動引起的這類聚合物材料的高介電弛豫強度有較大的幫助，而這些研究是很難通過實驗進行的 。 最近，介觀尺度的模擬也被用于描述 PVDF 薄膜的極化反轉(zhuǎn)。4.1 電聲換能器電聲換能器4.主要應(yīng)用主要應(yīng)用揚聲器運用到壓電薄膜揚聲器運用到壓電薄膜 壓電高分子材料的比重小，頻率響應(yīng)好，所以特別適合做電聲材料。 利用壓電薄膜的橫向、縱向效應(yīng)，可制成揚聲器、耳機、擴音器、話筒等音響設(shè)備，也可用于弦振動的測量。4.2 水聲換能器水聲換能器 由于PVDF壓電薄膜雨水的聲阻抗接近，柔韌性好，能做成大面積

10、薄膜和為數(shù)眾多的陣列傳感點，且成本低，是制造水聲換能器的理想材料。 可用于檢測潛艇、魚群或水下地球物理探測，也可用于液體和固體中超聲波的接送和發(fā)射。4.主要應(yīng)用主要應(yīng)用4.3 超聲換能器超聲換能器4.主要應(yīng)用主要應(yīng)用 PVDF 壓電薄膜制成的可變焦距超聲換能器裝置，該裝置利用在PVDF壓電薄膜兩側(cè)造成一個壓力差的辦法 , 使薄膜產(chǎn)生形變。 這樣可以通過壓力的變化來控制曲率 , 從而使換能器的焦點沿軸向移動 ,當(dāng)換能器的曲率與入射聲場的曲率 一 致時 , 有最大接收強度?？勺兘箍勺兘?距超聲換能距超聲換能 器器4.4 醫(yī)用儀器醫(yī)用儀器4.主要應(yīng)用主要應(yīng)用 PVDF 的聲阻抗與人體匹配的很好，可以用來測量人體的心聲、心動、心律、脈搏、體溫、pH值、血壓等一系列數(shù)據(jù)。目前還可以用來模擬人體皮膚。4.5 其他應(yīng)用其他應(yīng)用4.主要應(yīng)用主要應(yīng)用壓電高分子材料還可以用于壓電高分子材料還可以用于： 地震監(jiān)測、大氣污染檢測 各種機械振動、撞擊的檢測 干擾裝置、信息傳感器 計算機、通