專利名稱：具有壓電系數(shù)d₃₁的壓電駐極體功能膜的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于壓電功能材料技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種具有壓電系數(shù)J31的壓電駐極體功能膜的制備方法。
背景技術(shù)：
壓電駐極體piezoelectrets (也稱為鐵電駐極體ferroelectrets)是一類新型的人工微結(jié)構(gòu)壓電功能材料。壓電駐極體材料中沒有固有的電偶極子，這是其區(qū)別于傳統(tǒng)無機(jī)壓電材料(壓電單晶或壓電陶瓷等)和有機(jī)壓電聚合物薄膜(聚偏氟乙烯或其共聚物)的重要特征。自1990年前后芬蘭的科學(xué)家在聚丙烯孔洞材料中發(fā)現(xiàn)強(qiáng)壓電效應(yīng)以來，壓電駐極體功能材料受到了國內(nèi)外科學(xué)界和傳感器技術(shù)領(lǐng)域的廣泛關(guān)注。壓電駐極體兼具壓電陶瓷的強(qiáng)壓電效應(yīng)和壓電聚合物的柔韌性，并且可大面積成膜，廉價(jià)環(huán)保，聲阻抗與人體和水相匹配，因此在智能控制、傳感器和執(zhí)行器等方面有非常廣闊的應(yīng)用前景。但是迄今所報(bào)道的實(shí)驗(yàn)室制備的和商品化的壓電駐極體功能膜只具有強(qiáng)的應(yīng)力應(yīng)變系數(shù)d劃而其壓電系數(shù)J31非常小(通常在l_3pC/N之間，因此通常忽略不計(jì))，遠(yuǎn)小于聚偏氟乙烯的壓電系數(shù)J31 (約25pC/N)。另一方面，在許多應(yīng)用當(dāng)中(例如橋梁結(jié)構(gòu)檢測(cè)、 斜拉索智能監(jiān)控等)需要壓電材料具有較強(qiáng)的壓電系數(shù)J31，現(xiàn)有的壓電駐極體膜不能滿足這一要求。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種制備具有強(qiáng)壓電應(yīng)力應(yīng)變系數(shù)J31的壓電駐極體功能膜的方法。用該方法不僅能夠使壓電駐極體功能膜具有壓電系數(shù)式3，而且具有強(qiáng)的壓電系數(shù)J31 (其壓電系數(shù) /31>25 pC/N)。為了達(dá)到上述目的，本發(fā)明將非極性聚合物材料，利用壓印、噴涂、提拉或旋涂等工藝，在帶有溝槽結(jié)構(gòu)的模板表面形成與模板結(jié)構(gòu)相同形狀的聚合物薄膜，薄膜的厚度在 IMffl 200Mffl之間，然后將兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的聚合物膜熱壓粘合，得到溝槽和密實(shí)部分相間排列的孔洞結(jié)構(gòu)膜，最后對(duì)薄膜進(jìn)行極化處理。本發(fā)明中，所述非極性聚合物材料可選擇聚丙烯(PP)、聚酯(PET和PEN)、氟化乙丙稀共聚物(FEP)、聚四氟乙烯(PTFE)或環(huán)烯烴共聚物(COC)等。本發(fā)明中，所述極化處理可以采用電暈充電工藝或接觸法充電工藝。采用電暈充電工藝時(shí)，電暈充電電壓為士2kV 士 100kV，柵控電壓為士50V 士 10kV，充電溫度小于或等于薄膜的熔點(diǎn)溫度，充電時(shí)間5ms 2h，電極與膜的間距為2cm 15cm，電暈電極的形狀可以是針狀、絲狀、刀口狀或上述形狀電極組成的陣列，電暈充電后獲得具有強(qiáng)壓電應(yīng)力應(yīng)變系數(shù)式工壓電駐極體膜。采用接觸法充電工藝時(shí)，首先在帶有溝槽微結(jié)構(gòu)的薄膜兩面真空蒸鍍或絲網(wǎng)印刷金屬電極，然后將直流偏壓直接加載到兩金屬電極上，直流偏壓的大小為士 100V 士 10kV，充電溫度小于或等于薄膜的熔點(diǎn)溫度，充電時(shí)間5ms 2h，得到具有強(qiáng)壓電應(yīng)變系數(shù)式i壓電駐極體膜。
本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是
1、與現(xiàn)有壓電駐極體功能膜相比，本發(fā)明獲得的帶溝槽結(jié)構(gòu)的壓電駐極體具有強(qiáng)壓電系數(shù) /31 (或 /32)。2、本發(fā)明所用工藝簡(jiǎn)單易行。3、利用本發(fā)明制備的壓電駐極體功能膜，可以應(yīng)用在能量采集器、聲電傳感器、機(jī)器人肌膚、智能結(jié)構(gòu)、光聲傳感器等領(lǐng)域。


圖1為本發(fā)明的薄膜表面原理圖。其中，1為功能膜表面凹槽部分，2為功能膜表面凸起部分。圖2為復(fù)合膜剖面示意圖。圖3為本發(fā)明的薄膜的掃描電鏡圖。圖4為壓電駐極體膜在60Hz下，施加在薄膜上的電荷量與時(shí)間的關(guān)系圖。圖5為壓電駐極體膜在60Hz下，施加在薄膜上的壓力與時(shí)間的關(guān)系圖。圖6為壓電駐極體膜在80Hz下，施加在薄膜上的電荷量與時(shí)間的關(guān)系圖。圖7為壓電駐極體膜在80Hz下，施加在薄膜上的壓力與時(shí)間的關(guān)系圖。圖8為壓電駐極體膜在IOOHz下，施加在薄膜上的電荷量與時(shí)間的關(guān)系圖。圖9為壓電駐極體膜在IOOHz下，施加在薄膜上的壓力與時(shí)間的關(guān)系圖。
具體實(shí)施例方式實(shí)施例1依據(jù)以下步驟可以獲得具有壓電系數(shù)J31的FEP復(fù)合膜壓電駐極體1。1、在5 cm*5cm的金屬板上雕刻如圖1所示的溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽深度為1mm，寬度1mm， 兩溝槽間距為0. 5mm，形成帶有溝槽結(jié)構(gòu)的模具。2、首先將上述模具(模具1)帶溝槽結(jié)構(gòu)的一面朝上，并在模具1的表面依次覆上一張厚度為12. 5 um的市售FEP薄膜覆、一片Imm厚的橡膠膜，和一個(gè)3mm厚的不銹鋼板， 然后將它們一起放置于熱壓機(jī)的加熱板上，在溫度和壓強(qiáng)分別為120°C和IlMPa的條件下加壓lmin，最后去掉不銹鋼板和橡膠膜，得到附著在模具1表面，且具有溝槽結(jié)構(gòu)的FEP膜 1。3、利用步驟2所述的方法得到附著在模具2表面，且具有溝槽結(jié)構(gòu)的FEP膜2。4、將表面附著有FEP膜1的模具1和附著有FEP膜2的模具2以鏡像方式扣合(即 FEP膜1和FEP膜2相對(duì))，然后用金屬夾具把模具夾緊。5、把步驟4的模具/FEP膜系放入高溫爐中，在320°C的溫度下進(jìn)行熱粘合，熱粘合的時(shí)間設(shè)定為15min。6、取出經(jīng)過步驟5熱粘合的模具/FEP膜系，冷卻至室溫，脫模，得到如圖3所示的 FEP復(fù)合膜，其內(nèi)部具有管狀的氣孔結(jié)構(gòu)。7、給FEP復(fù)合膜的兩面真空蒸鍍厚度為IOOnm的鋁電極。8、在FEP復(fù)合膜兩面的電極上施加2000V的直流偏壓，加電壓時(shí)間為5 mS，環(huán)境溫度為200C 0經(jīng)過上述步驟1至8，獲得FEP復(fù)合膜壓電駐極體1。
用60Hz的正弦力信號(hào)激勵(lì)FEP復(fù)合膜壓電駐極體1的χ軸方向，獲得Z軸向FEP 復(fù)合膜壓電駐極體1表面電極上感應(yīng)電量的變化曲線如圖3所示。經(jīng)計(jì)算，^/31為83 pC/N。
用80Hz的正弦力信號(hào)激勵(lì)FEP復(fù)合膜壓電駐極體1的χ軸方向，獲得Z軸向FEP 復(fù)合膜壓電駐極體1表面電極上感應(yīng)電量的變化曲線如圖4所示。經(jīng)計(jì)算，^/31為82 pC/N。用IOOHz的正弦力信號(hào)激勵(lì)FEP復(fù)合膜壓電駐極體1的χ軸方向，獲得Z軸向FEP 復(fù)合膜壓電駐極體1表面電極上感應(yīng)電量的變化曲線如圖5所示。經(jīng)計(jì)算，^/31為71 pC/ N0實(shí)施例2依據(jù)以下步驟可以獲得具有壓電系數(shù)J31的FEP復(fù)合膜壓電駐極體2。1、在5 cm*5cm的金屬板上雕刻如圖1所示的溝槽結(jié)構(gòu)，溝槽深度為1mm，寬度 0. 5mm，兩溝槽間距為0. 25mm，形成帶有溝槽結(jié)構(gòu)的模具。2、首先將上述模具(模具3)帶溝槽結(jié)構(gòu)的一面朝上，并在模具3的表面依次覆上一張厚度為12. 5 um的市售FEP薄膜、一片Imm厚的橡膠膜，和一個(gè)3mm厚的不銹鋼板，然后將它們一起放置于熱壓機(jī)的加熱板上，在溫度和壓強(qiáng)分別為100°C和IlMPa的條件下加壓2min，最后去掉不銹鋼板和橡膠膜，得到附著在模具3表面且具有溝槽結(jié)構(gòu)的FEP膜3。3、用步驟2所述的方法得到附著在模具4表面，且具有溝槽結(jié)構(gòu)的FEP膜4。4、將表面附著有FEP膜3的模具3和附著有FEP膜4的模具4以鏡像方式扣合(即 FEP膜1和FEP膜2相對(duì))，然后用金屬夾具把模具夾緊。5、把步驟4的模具/FEP膜系放入高溫爐中，在320°C的溫度下進(jìn)行熱粘合，熱粘合的時(shí)間設(shè)定為30min。6、取出經(jīng)過步驟5熱粘合的模具/FEP膜系，冷卻至室溫，脫模，得到其內(nèi)部具有管狀的氣孔結(jié)構(gòu)的FEP復(fù)合膜。7、給FEP復(fù)合膜的兩面真空蒸鍍厚度為IOOnm的鋁電極。8、在FEP復(fù)合膜兩面的電極上施加2000V的直流偏壓，加電壓時(shí)間為20 ms，環(huán)境溫度為20°C。經(jīng)過上述步驟1至8，獲得FEP復(fù)合膜壓電駐極體2，其在IOOHz正弦力激勵(lì)下的 /3ι 為 60 pC/N。實(shí)施例3依據(jù)以下步驟可以獲得具有壓電系數(shù)J31的FEP復(fù)合膜壓電駐極體3。重復(fù)實(shí)施例1中的步驟1至6。1、利用針-板電暈充電系統(tǒng)對(duì)FEP復(fù)合膜1進(jìn)行電暈充電處理。電暈針距離FEP 復(fù)合膜1表面的距離為4cm，電暈電壓-20kV，充電時(shí)間5min，環(huán)境溫度15°C。2、給FEP復(fù)合膜的兩面真空蒸鍍厚度為IOOnm的鋁電極。經(jīng)過上述步驟獲得FEP復(fù)合膜壓電駐極體3。用IOOHz的正弦力信號(hào)激勵(lì)FEP復(fù)合膜壓電駐極體3得到的J31為50 pC/N。實(shí)施例4依據(jù)以下步驟可以獲得具有壓電系數(shù)J31的PTFE復(fù)合膜壓電駐極體。1、將實(shí)施例1中所制備的模具1帶溝槽結(jié)構(gòu)的一面朝上，并在模具1的表面依次覆上一張厚度為20 μ m的市售PTFE車削薄膜、一片Imm厚的橡膠膜，和一個(gè)3mm厚的不銹鋼板，然后將它們一起放置于熱壓機(jī)的加熱板上，在溫度和壓強(qiáng)分別為25°C和5MPa的條件下加壓lOmin，最后去掉不銹鋼板和橡膠膜，得到附著在模具1表面，且具有溝槽結(jié)構(gòu)的PTFE 膜1。
2、利用步驟1所述的方法得到附著在模具3表面，且具有溝槽結(jié)構(gòu)的PTFE膜2。3、將表面附著有PTFE膜1的模具1和附著有PTFE膜2的模具2以鏡像方式扣合 (即PTFE膜1和PTFE膜2相對(duì))，然后用金屬夾具把模具加緊。4、把步驟3的模具/PTFE膜系放入高溫爐中，在390°C的溫度下進(jìn)行燒結(jié)，燒結(jié)的時(shí)間設(shè)定為30min。5、取出經(jīng)過步驟4燒結(jié)的模具/PTFE膜系，冷卻至室溫，脫模，得到其內(nèi)部具有管狀的氣孔結(jié)構(gòu)的PTFE復(fù)合膜。6、給PTFE復(fù)合膜的兩面真空蒸鍍厚度為IOOnm的鋁電極。7、在PTFE復(fù)合膜兩面的電極上施加5000V的直流偏壓，加電壓時(shí)間為20 mS，環(huán)境溫度為20°C。經(jīng)過上述步驟1至7，獲得PTFE復(fù)合膜壓電駐極體1，其在IOOHz正弦力激勵(lì)下的 /3ι 為 80 pC/N。實(shí)施例5依據(jù)以下步驟可以獲得具有壓電系數(shù)J31的PP復(fù)合膜壓電駐極體。1、將實(shí)施例1中所制備的模具1帶溝槽結(jié)構(gòu)的一面朝上，并在模具1的表面依次覆上一張厚度為10 μ m的市售PP薄膜、一片Imm厚的橡膠膜，和一個(gè)3mm厚的不銹鋼板，然后將它們一起放置于熱壓機(jī)的加熱板上，在溫度和壓強(qiáng)分別為95°C和IOMI^a的條件下加壓 5min，最后去掉不銹鋼板和橡膠膜，得到附著在模具1表面，且具有溝槽結(jié)構(gòu)的PP膜1。2、利用步驟1所述的方法得到附著在模具3表面，且具有溝槽結(jié)構(gòu)的PP膜2。3、將表面附著有PP膜1的模具1和附著有PP膜2的模具2以鏡像方式扣合(即 PP膜1和PTFE膜2相對(duì))，然后用金屬夾具把模具夾緊。4、把步驟3的模具/PP膜系放入高溫爐中，在180°C的溫度下進(jìn)行熱粘合，熱粘合的時(shí)間設(shè)定為5min。5、取出經(jīng)過步驟4燒結(jié)的模具/PP膜系，冷卻至室溫，脫模，得到其內(nèi)部具有管狀的氣孔結(jié)構(gòu)的PP復(fù)合膜。6、利用針-板電暈充電系統(tǒng)對(duì)PP復(fù)合膜1進(jìn)行電暈充電處理。電暈針距離PP復(fù)合膜1表面的距離為4cm，電暈電壓-25kv，充電時(shí)間lmin，環(huán)境溫度25°C。7、給PP復(fù)合膜的兩面真空蒸鍍厚度為IOOnm的鋁電極。經(jīng)過上述步驟1至7，獲得PP復(fù)合膜壓電駐極體1，其在IOOHz正弦力激勵(lì)下的J31 為 55 pC/N。
權(quán)利要求
1.一種具有壓電系數(shù)式工的壓電駐極體功能膜的制備方法，其特征在于具體步驟為非極性聚合物材料，利用壓印、噴涂、提拉或旋涂工藝，在帶有溝槽結(jié)構(gòu)的模板表面形成與模板結(jié)構(gòu)相同形狀的聚合物薄膜，薄膜的厚度在IMffl 200Mffl之間；然后將兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的聚合物膜熱壓粘合，得到溝槽和密實(shí)部分相間排列的孔洞結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜；最后對(duì)復(fù)合薄膜進(jìn)行極化處理。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有壓電系數(shù)J31的壓電駐極體功能膜的制備方法，其特征在于所述極化處理采用電暈充電工藝或接觸法充電工藝；其中，所述電暈充電工藝的步驟為電暈充電電壓為士2kV 士 100kV，柵控電壓為士50V 士 10kV，充電溫度小于或等于薄膜的熔點(diǎn)溫度，充電時(shí)間5ms 2h，電極與膜的間距為2cm 15cm，電暈電極的形狀是針狀、絲狀、刀口狀或上述形狀電極組成的陣列，電暈充電后獲得具有強(qiáng)壓電應(yīng)力應(yīng)變系數(shù)式i壓電駐極體膜；所述接觸法充電工藝的步驟為首先在帶有溝槽微結(jié)構(gòu)的薄膜兩面真空蒸鍍或絲網(wǎng)印刷金屬電極，然后將直流偏壓直接加載到兩金屬電極上，直流偏壓的大小為士 100V 士 10kV，充電溫度小于或等于薄膜的熔點(diǎn)溫度，充電時(shí)間5ms 2h，得到具有強(qiáng)壓電應(yīng)變系數(shù)J31壓電駐極體膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的具有壓電系數(shù)J31的壓電駐極體功能膜的制備方法，其特征在于所述非極性聚合物材料為聚丙烯、聚酯、氟化乙丙稀共聚物、聚四氟乙烯或環(huán)烯烴共聚物。
全文摘要
本發(fā)明屬于壓電功能材料技術(shù)領(lǐng)域，具體為一種具有壓電系數(shù)d31的壓電駐極體功能膜的制備方法。具體步驟為非極性聚合物材料，利用壓印、噴涂、提拉或旋涂工藝，在帶有溝槽結(jié)構(gòu)的模板表面形成與模板結(jié)構(gòu)相同形狀的聚合物薄膜，薄膜的厚度在1μm～200μm之間；然后將兩個(gè)相同結(jié)構(gòu)的聚合物膜熱壓粘合，得到溝槽和密實(shí)部分相間排列的孔洞結(jié)構(gòu)復(fù)合薄膜；最后對(duì)復(fù)合薄膜采用電暈充電工藝或接觸法充電工藝進(jìn)行極化處理，即得所需的壓電駐極體功能膜。本發(fā)明獲得的帶溝槽結(jié)構(gòu)的壓電駐極體具有強(qiáng)壓電系數(shù)d31(或d32)。該壓電駐極體功能膜可以應(yīng)用在能量采集器、聲電傳感器、機(jī)器人肌膚、智能結(jié)構(gòu)、光聲傳感器等領(lǐng)域。
文檔編號(hào)H01L41/45GK102569641SQ20121000527
公開日2012年7月11日 申請(qǐng)日期2012年1月10日 優(yōu)先權(quán)日2012年1月10日
發(fā)明者婁可行, 張曉青, 游瓊 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)