一种柔性聚合物压电薄膜及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种柔性聚合物压电薄膜及其制备方法，属于压电薄膜技术领域。一种柔性聚合物压电薄膜，依次包括表面带正电荷的驻极体薄膜、介电隔膜和表面带负电荷的驻极体薄膜，两个驻极体薄膜的带电荷面相对设置，驻极体薄膜与介电隔膜均为有机聚合物；一种柔性聚合物压电薄膜的制备方法，用于制备上述柔性压电聚合物薄膜。本发明专利技术通过静电相互吸引，将介电隔膜紧紧地组装在中间，形成柔性压电薄膜，工艺更加简单、方便；正负电荷形成的偶极矩模拟了压电材料的偶极子，不受材料居里温度的影响，能够有效地提高材料的工作温度、压电系数等性能；而介电隔膜和驻极体薄膜均为有机聚合物，因此，机械柔性能比无机压电材料更为优良。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性聚合物压电薄膜及其制备方法
本专利技术属于压电薄膜的领域，更具体地，涉及一种柔性聚合物压电薄膜及其制备方法。
技术介绍
随着柔性可穿戴器件在便携性、集成化与轻柔化方面的需求日益增加，基于柔性轻质的传感、超声、功能器件的应用技术已经成为压电领域重点关注的研究内容之一。而作为其中核心组件之一的压电材料，其优劣也成为了影响可穿戴柔性传感器、柔性超声材料、柔性声学传感器的性能的关键因素之一。这些器件要求电极不仅具有优异稳定的压电性能，同时还需具备轻薄柔软、成本低廉，能适应大规模生产，且具有良好的柔性，以及高热稳定性等特点。在现有技术中，已经提出了多种材料可作为潜在替代物被大量研发，如采用在柔性衬底上通过沉积一些无机压电材料如钛酸钡等，但是其薄膜机械抗弯折性的问题一直待解决；而在柔性方面，较多采用聚合物压电材料和一些无机化合物和聚合物混合物等都可以作为候选材料。但是通过比较可以发现：无机压电材料的压电性能虽高，但硬度高难以满足柔性需求；无机压电聚合物混合物的压电性能较小，且由于居里温度过低导致热稳定性较差；相比而言，基于全聚合物的透明压电薄膜，制备工艺简单，具有良好的柔性等特点，因而具备广阔的发展前景。但是，现有的聚合物压电材料的制备条件苛刻、制备工艺复杂、热稳定性较差，同时可见光透过率、压电性能等往往也不高。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种柔性聚合物压电薄膜的制备方法，其目的在于解决现有技术中聚合物压电材料由于制备条件苛刻而热稳定性、透光率、压电性能等较差的技术问题。为实现上述目的，本专利技术的第一方面，提供了一种柔性聚合物压电薄膜，依次包括表面带正电荷的驻极体薄膜、介电隔膜和表面带负电荷的驻极体薄膜，两个所述驻极体薄膜的带电荷面相对设置，所述驻极体薄膜与所述介电隔膜均为有机聚合物。通过上述技术方案，本专利技术具备以下优点：1.通过正负电荷形成的偶极矩模拟了压电材料的偶极子，不受材料居里温度的影响，因此，在材料温度升高后，不会出现偶极子排序混乱导致压电失效的情况，所以本专利技术的压电薄膜具有较高的工作温度；2.介电隔膜和驻极体薄膜均为有机聚合物，因此，机械柔性比无机压电材料更为优良，同时通过三片薄膜的静电吸引进行组装，工艺更简单。本专利技术的第二方面，提供了一种柔性聚合物压电薄膜的制备方法，用于制备上述的一种柔性聚合物压电薄膜，包括以下步骤：薄膜的制备：使用有机聚合物材料制备一片表面带正电荷的驻极体薄膜、一片表面带负电荷的驻极体薄膜与一片介电隔膜；组装：将介电隔膜放置在两片驻极体薄膜之间，且两片驻极体薄膜的带电荷面相对，通过静电组装形成聚合物压电薄膜。通过上述技术方案，本专利技术具备以下优点：介电隔膜位于中间层，而位于上下两层的驻极体薄膜带异种电荷，通过静电相互吸引，从而能将介电隔膜紧紧地组装在中间，形成剪切强度更大、更耐高温的柔性压电薄膜，且工艺简单、方便，适合大规模量产。附图说明图1是实施例一与实施例二中的一种柔性聚合物压电薄膜的结构图；图2是不同测试温度下压电薄膜d33的数据图；图3是压电薄膜形成不同天数后d33的数据图；图4是不同材质的介电聚合物隔膜制成的压电薄膜的d33数据图；图5(a)是静电组装的柔性聚合物压电薄膜进行力学性能测试的光学照片；图5(b)是静电组装的柔性聚合物压电薄膜进行力学性能测试的原理图；图5(c)是静电组装的柔性聚合物压电薄膜的剪切力和位移之间的关系图；图5(d)是静电组装的柔性聚合物压电薄膜悬挂300g砝码的示意图；图6是不同材质的介电聚合物薄膜制成的压电薄膜的剪切强度数据图；图7是实施例三中的一种柔性聚合物压电薄膜的结构图；图8是实施例四中的一种柔性聚合物压电薄膜的结构图；图9是实施例五中的一种柔性聚合物压电薄膜的结构图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本专利技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术，并不用于限定本专利技术。此外，下面所描述的本专利技术各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。本专利技术第一方面提出一种柔性聚合物压电薄膜，依次包括表面带正电荷的驻极体薄膜、介电隔膜和表面带负电荷的驻极体薄膜，两个驻极体薄膜的带电荷面相对设置，驻极体薄膜与介电隔膜均为有机聚合物。整个聚合物压电薄膜一共为三层，位于中间的介电隔膜通过上下两片驻极体薄膜的静电相互作用组装成膜材料。该压电薄膜由驻极体薄膜与介电隔膜构成，三层膜之间通过正负电荷模拟偶极矩压电材料的偶极子，因此，在保证压电性能的前提下不受材料的居里温度影响，从而能够有效地提高压电薄膜的稳定性。通过改变驻极方式、驻极体薄膜与介电聚合物隔膜的厚度和以及各层薄膜的材质，可以提升压电薄膜的压电性能。其中，驻极体薄膜和介电隔膜均由有机聚合物材料制成，驻极体薄膜的表面能够贮存电荷，其材质可以选择：聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)等绝缘聚合物薄膜材料例如聚三氟氯乙稀(PCTFE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、四氟乙稀和六氟丙稀共聚物和聚乙稀PE等为主。介电隔膜的表面则不带电荷，其材质可以选择聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰亚胺(PI)、聚偏氟乙烯(PVDF)等。具体的材质可根据实际需求进行选择。本专利技术的第二方面提出一种柔性聚合物压电薄膜的制备方法，用于制备本专利技术中公开的柔性聚合物压电薄膜，包括以下步骤：膜的制备：使用有机聚合物材料制备一片表面带正电荷的驻极体薄膜、一片表面带负电荷的驻极体薄膜与一片介电隔膜；组装：将介电隔膜放置在两片驻极体薄膜之间，且两片驻极体薄膜的带电荷面相对，通过静电组装形成聚合物压电薄膜。本专利技术提供的压电薄膜的制备方法只需要先做三层膜，然后将三层膜通过静电组装即可完成，在保证压电性能的前提下该制备方法工艺简单，适合产业化大规模量产。实施例一参照图1，介电隔膜的上下表面与驻极体薄膜的带电荷面在投影下的重合面积为100％的贴合，驻极体薄膜带电荷面的带电荷面积占其与介电隔膜投影重合面积的100％。具体地，介电隔膜的上下表面为平整状态，这种状态下，介电隔膜与驻极体薄膜之间的静电吸引力更强更，压电性能更为稳定，，静电吸引力更强使得薄膜的结构更稳定，压电性能稳定性高使得薄膜的的数据更为可靠。表面带正电荷的驻极体薄膜与表面带负正电荷的驻极体薄膜的材质相同、厚度相等，所述压电薄膜的压电性能满足以下公式：其中，d33表示压电系数，驻极体薄膜(electret)和介电隔膜(dielectric)的厚度分别用dE和dD表示，σE表示上下驻极体薄膜等量的表面电荷密度，εE和εD分别是驻极体薄膜和介电聚合物隔膜的相对介电常数，YE和YD是驻极体薄膜和介电聚合物隔膜的杨氏模量。进本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性聚合物压电薄膜，其特征在于，依次包括表面带正电荷的驻极体薄膜、介电隔膜和表面带负电荷的驻极体薄膜，两个所述驻极体薄膜的带电荷面相对设置，所述驻极体薄膜与所述介电隔膜均为有机聚合物。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性聚合物压电薄膜，其特征在于，依次包括表面带正电荷的驻极体薄膜、介电隔膜和表面带负电荷的驻极体薄膜，两个所述驻极体薄膜的带电荷面相对设置，所述驻极体薄膜与所述介电隔膜均为有机聚合物。


2.根据权利要求1所述的柔性聚合物压电薄膜，其特征在于，所述介电隔膜与所述驻极体薄膜的带电荷面在投影下的重合面积至少有30％的贴合。


3.根据权利要求2所述的柔性聚合物压电薄膜，其特征在于，所述介电隔膜与所述驻极体薄膜的带电荷面在投影下的重合面积为100％的贴合。


4.根据权利要求3所述的柔性聚合物压电薄膜，其特征在于，所述驻极体薄膜带电荷面的带电荷面积至少占其与介电隔膜投影重合面积的30％。


5.根据权利要求3或4所述的柔性聚合物压电薄膜，其特征在于，表面带正电荷的驻极体薄膜与表面带负正电荷的驻极体薄膜的材质相同、厚度相等，所述柔性聚合物压电薄膜的压电系数d33为：
其中，dE表示驻极体薄膜的厚度，dD表示介电隔膜的厚度，σE表示两片驻极体薄膜相等的表面电荷密度，εE和εD分别是驻极体薄膜和介电隔膜的相对介电常数，YE和YD是分别是驻极体薄膜和介电隔膜的杨氏模量。
...

【专利技术属性】
技术研发人员：周军，胡彬，徐子盛，段将将，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42