压电高分子材料

1、压电高分子（高聚物）材料压电高分子（高聚物）材料Piezoelectric Polymer Materials 报告人：报告人： 符彩涛符彩涛 学学 号：号：157692196157692196 材料工程材料工程 目录目录压电高分子压电高分子主要应用主要应用发展现状发展现状应用前景应用前景表征与模拟表征与模拟1.发展现状发展现状强度及韧性高、导电导热性好、强度及韧性高、导电导热性好、抗冲击能力强抗冲击能力强 压电高聚物的发展已有三四十年的历史，但至今科技工作者对其压电性的成因及其性能的研究仍处于探索阶段。 1965 年 Harris 和 Allison 等实现了塑料的冲击感应极化，随后对生物高

2、分子压电性的研究日益广泛。Peterlin 等在 1967 年观察了聚偏氟乙烯( PVDF)的值，也确认了它的压电性。胡 南,刘雪宁,杨治中. 聚合物压电智能材料研究新进展A. 高分子通报,2004. 1972 年日本的北山、中村合作试制了 PVDF + BaTiO3 的柔性复合材料，又开辟了压电高聚物用于压电复合材料的新途径，使压电高聚物向实用化研究方向又迈出一步。 如今，PVDF 及其它压电高聚物已作为一种极有前途的新型压电材料制成各种压电元器件，开始向科技和产业方向拓展。2.压电高分子压电高分子强度及韧性高、导电导热性好、强度及韧性高、导电导热性好、抗冲击能力强抗冲击能力强 压电高分子材

3、料是指能实现机械效应(压力)和电效应(电压)相互转换的高分子材料。2.1 定义定义压电薄膜传感器压电薄膜传感器2.压电高分子压电高分子 压电高分子材料的分类：2.2 分类分类 天然压电高分子材料天然压电高分子材料 合成压电高分子材料合成压电高分子材料 复合压电材料复合压电材料 结晶高分子结晶高分子+压电陶瓷压电陶瓷 非晶高分子非晶高分子+压电陶瓷压电陶瓷压电复合材料晶片压电复合材料晶片2.压电高分子压电高分子强度及韧性高、导电导热性好、强度及韧性高、导电导热性好、抗冲击能力强抗冲击能力强2.3 性能性能具有压电性；具有压电性；柔而韧，可制成大面积薄膜，便于大规模集成化；柔而韧，可制成大面积薄膜

4、，便于大规模集成化；具有力学阻抗低，易于与水及人体等声阻抗配合。具有力学阻抗低，易于与水及人体等声阻抗配合。2.压电高分子压电高分子强度及韧性高、导电导热性好、强度及韧性高、导电导热性好、抗冲击能力强抗冲击能力强2.3 性能性能 高聚物同时还具有高的强度和耐冲击性，显著的低介电常数，柔性，低密度，和由此带来的对电压的高度敏感性 （ 优异的传感器特性），低的声阻抗和机械阻抗（ 对于医学和水下应用至关重要）。 高聚物还具有较高的介电击穿电压，比压电陶瓷能够承受更高的极化电场和工作电场。 压电高聚物还可以实现在薄膜表面形成电极和选择性区域极化。 基于以上优良性能，高聚物压电材料在技术应用领域和器件配

5、置中占有其独特的地位。与压电陶瓷相比：与压电陶瓷相比：胡 南,刘雪宁,杨治中. 聚合物压电智能材料研究新进展A. 高分子通报,2004.2.压电高分子压电高分子最有使用价值的压电材料最有使用价值的压电材料2.4 两种特有的材料两种特有的材料 偶极取向可在冷却后被固定，能长期保持极化状态的聚合物电解质材料。主要有两种类型： 一种是高绝缘性材料，如聚四氟乙烯和氟乙烯与丙烯的共聚物，它们具有相当好的保持注入电荷的能力。 另一种是可极化聚合物，子内存在永久偶极矩，这种材料极化后，在一定温度范围内可以保持其偶极子的指向性。2.压电高分子压电高分子强度及韧性高、导电导热性好、强度及韧性高、导电导热性好、抗

6、冲击能力强抗冲击能力强2.4 两种特有的材料两种特有的材料优良的压电高分子材料优良的压电高分子材料 密度为压电陶瓷的1/4 弹性柔顺常数要比陶瓷大30倍 柔软而有耐性、耐冲击，既可以加工成几微米厚的薄膜，也可以弯曲成任何形状，也利于器件小型化 声阻低，可与液体很好的配合2.压电高分子压电高分子2.5 压电高分子的结构要求压电高分子的结构要求 压电效应是许多非中心对称的陶瓷、聚合物、生物体系的特性。 无论聚合物压电材料的形态如何 （ 半结晶或非晶）压电性能的产生对聚合物结构都有着五项基本的要求： 存在永久分子偶极 （ 偶极距）； 单位体积中偶极的数量 （ 偶极浓度 N）必须达到一定数值 分子偶极

7、取向排列的能力 取向形成后保持取向排列的能力 材料在受到机械应力作用时承受较大应变的能力。3.表征与模拟表征与模拟3.1 表征表征 大多数用于压电陶瓷的压电性能表征的方法都适用于压电高聚物。 基于共振分析和等价电路的方法可以被用来表征半结晶 PVDF 和其共聚物， IEEE 标准中有所概述 。 共振分析应用于压电高聚物研究的细节问题在 Sherrit 和 Bar-Cohen 有所探究 。 由于 IEEE 标准方法对高聚物本性的损耗，还需要其他的表征技术来更精确地描述材料压电性能。 准静态直接法就是一种适应性很强的方法，能够充分研究聚合物压电响应。 这种直接方法尤其适于非晶高聚物的表征研究。 热

8、激励电流测量（ TSC）方法用于测量高聚物的剩余极化强度，应变和电荷的直接测量方法用于研究与电场，频率和应力相关的压电系数。胡 南,刘雪宁,杨治中. 聚合物压电智能材料研究新进展A. 高分子通报,2004.3.表征与模拟表征与模拟3.2 模拟模拟胡 南,刘雪宁,杨治中. 聚合物压电智能材料研究新进展A. 高分子通报,2004. 模拟高聚物压电行为的方法论根据研究对象特点不同而不同。 这些方法涵盖了从宏观到微观以及原子规模的范围。 用于高聚物压电材料的计算方法在许多文献 中都有所讨论。 在一些情况下，模拟可以直接预测一些无法进行实验的行为。 数值模拟方法可以了解不同偶极的贡献，而通过实验结果则无

9、法推断。 而且模拟方法对于指导新材料的合成也是有很高价值的。 如对于 PVDCN-VAC 的模拟，对于理解由协同运动引起的这类聚合物材料的高介电弛豫强度有较大的帮助，而这些研究是很难通过实验进行的 。 最近，介观尺度的模拟也被用于描述 PVDF 薄膜的极化反转。4.1 电声换能器电声换能器4.主要应用主要应用扬声器运用到压电薄膜扬声器运用到压电薄膜 压电高分子材料的比重小，频率响应好，所以特别适合做电声材料。 利用压电薄膜的横向、纵向效应，可制成扬声器、耳机、扩音器、话筒等音响设备，也可用于弦振动的测量。4.2 水声换能器水声换能器 由于PVDF压电薄膜雨水的声阻抗接近，柔韧性好，能做成大面积

10、薄膜和为数众多的阵列传感点，且成本低，是制造水声换能器的理想材料。 可用于检测潜艇、鱼群或水下地球物理探测，也可用于液体和固体中超声波的接送和发射。4.主要应用主要应用4.3 超声换能器超声换能器4.主要应用主要应用 PVDF 压电薄膜制成的可变焦距超声换能器装置，该装置利用在PVDF压电薄膜两侧造成一个压力差的办法 , 使薄膜产生形变。 这样可以通过压力的变化来控制曲率 , 从而使换能器的焦点沿轴向移动 ,当换能器的曲率与入射声场的曲率 一 致时 , 有最大接收强度。可变焦可变焦 距超声换能距超声换能 器器4.4 医用仪器医用仪器4.主要应用主要应用 PVDF 的声阻抗与人体匹配的很好，可以用来测量人体的心声、心动、心律、脉搏、体温、pH值、血压等一系列数据。目前还可以用来模拟人体皮肤。4.5 其他应用其他应用4.主要应用主要应用压电高分子材料还可以用于压电高分子材料还可以用于： 地震监测、大气污染检测 各种机械振动、撞击的检测 干扰装置、信息传感器 计算机、通