多孔压电驻极体讲解

1、多孔压电驻极体的优缺点及压电活性孔洞内带有电荷的聚合物薄膜材料被称为多孔压电驻极体，在宏观上它展现出良好的压电性能。压电薄膜材料是重要的信息功能材料，它可以实现声信号与电信号之间的转变。压电薄膜兼备单晶和陶瓷的优点，即表面光滑致密、易于造成、价格低廉、便于调变性能并且可靠稳定，更重要的是使用压电薄膜可以使器件达到平面化和集成化。聚丙烯孔洞膜的压电性来源于这类孔洞结构驻极体薄膜的非均匀的机械性能及电荷分布1。聚丙烯孔洞膜的压电活性与材料的杨氏模量，孔洞界面处捕获的电荷密度，材料的厚度以及孔洞的几何尺寸密切相关。芬兰科技研究中心（VTT）用动态法测得聚丙烯孔洞膜的压电系数达到200PC/N。粘弹性

2、材料（聚丙烯）用于制造驻极体的聚丙烯材料是一种热塑性树脂，它具有优良的力学、化学与电学性能。力学性能：聚丙烯的结晶度高，结构规整，因而具有优良的力学性能。但在室温和低温下，由于本身的分子结构规整度高，所以冲击强度较差。聚丙烯最突出的性能就是抗弯曲疲劳性。 化学稳定性 ：聚丙烯的化学稳定性很好，除能被浓硫酸、浓硝酸侵蚀外，对其它各种化学试剂都比较稳定。电性能 ：聚丙烯的高频绝缘性能优良，由于它几乎不吸水，故绝缘性能不受湿度的影响。它有较高的介电系数，且随温度的上升，可以用来制作受热的电气绝缘制品。它的击穿电压也很高，适合用作电气配件等。压电效应某些介电体在机械力作用下发生变形，使介电体内正负电荷

3、中心发生相对位移而极化，以致两端表面出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与施加的应力成比例。这种由“压力”而产生“电”的现象称为正压电效应。反之，如果将具有压电效应的介电体至于外电场中，电场使介质内部正负电荷产生中心位移，导致介质产生形变。这种由“电”产生“机械变形”的现象称为逆压电效应。压电体的正压电效应和逆压电效应统称为压电效应。粘弹性对于弹性材料，应力和应变之间有着一一对应的关系。人们发现有些材料对应变率非常敏感，即表现出明显的粘性性质。这类材料受力后的变形过程是一个随时间而变化的过程，卸载后的恢复过程又是一个延迟过程。因此，这类材料内的应力不仅与当时的应变有关，而且与应变的全部变化历史有

4、关，这时应力与应变之间一一对应关系已不复存在，这类材料称为粘弹性材料。考虑到聚合物材料本身的粘弹性性质，聚合物的有效压电系数将随着时间所改变。进行压电系数随时间改变的研究对于制造和设计聚丙烯孔洞膜起着很大的作用。选择中空扁平十四面体模型的原因十四面体模型反应泡沫材料发泡过程中气泡变形的主要特征，即发泡时气泡在粘性液态材料内形核和长大。如果初始的气泡以理想的立方体心排列，并且以相同的速率向四周扩大，当气泡与气泡间接触后胞壁近似变为平面，胞体形状则由球变形为多面体形态。十四面体模型较为真实地反应泡沫材料的几何特征，并能完全填充整个空间，可以较好地满足胞体的特性条件，是模拟低密度泡沫材料力学性能的理

5、想模型7。模型的建立f、k定义拉伸比和体积分数边界条件电的边界条件：真实的多孔压电驻极体孔洞的上下表面因为捕获了等量的异号电荷而形成了宏观的电偶极子。那么本文就考虑在十四面体孔洞的上下表面即内部小十四面体的表面加等量异号电荷，初始值大小为，在上方的正方形面和四个六边形面加正电荷，在下方的正方形面和四个六边形面上加负电荷。在孔洞的四个菱形面与外面大十四面体的十四个面上不加电荷，让其电位移连续。在孔洞下方的正方形面接地，大十四面体上表面的正方形与4个六边形上施加电势100伏特。力的边界条件：让孔洞下方的正方形面固定；对于平面内的菱形固定其在方向位移；对于平面内的菱形固定其在方向位移；其余面让他们可

6、以自由变形。COMSOL中的网格划分可以根据不同的情况选择不同的精细程度。在经过多轮尝试之后选择了规格为Normal的网格划分计算结果因为在模拟过程中，上表面的位移大小并不相等，为了考虑计算元胞的的有效压电系数，本文选取十四面体上部正方形与四个六边形的平均位移来作为厚度的改变量并以此来计算压电系数。在计算时，选取的总计算时间为4000秒，每隔100秒计算一次，总共可以得到41个数据。根据COMSOL Multiphysics中得到的位移结果，本文运用Origin 8.0软件进行作图可以看到压电系数是随着时间的变化不断单调增加。在最初增长的很快，主要的增加过程在前1000秒，1000秒之后增速明

7、显放缓，在随后的时间内始终保持着缓慢的增加。最小值为19.56，最大值为38.37。改变面电荷密度q当施加不同的面电荷密度时，可以很明显地从图中看出随着面电荷密度的增加和减少，在每个时间点上，压电系数都随着一起增加和减少，但是整体的变化趋势同不改变面电荷密度的情况下一致。这是因为面电荷密度越高，孔洞表面，即小十四面体表面上附着的电荷就越多，在同一电场的作用下使得内部孔洞表面受到的电场力也就越大，因而在其厚度方向发生的位移自然而然随着面电荷密度的增加不断增加。可见聚丙烯多孔压电驻极体的压电系数与孔洞面电荷密的大小紧密相关。改变初始瞬态模量Em初始瞬态模量分别增加和减少了20%。与不改变初始瞬态模

8、量时的模型相比，压电系数随着初始瞬态模量值的增加而减少，随着值的减少而增加。压电系数曲线发生平移，且三条曲线都保持在前1000秒内产生了较大的变化幅度。之后压电系数的值分别都是缓慢增加，且增长的趋势与时间几乎呈线性。这是由于瞬态初始模量这一参数控制了聚合物材料分子的键长与键角。它所产生的变形是弹性的，材料初始的弹性变形和薄膜表面发生的位移会在整个蠕变过程中都一直发挥作用，这就导致了曲线整体的平移。在初始时刻，不改变与增加20%的压电系数之差为2.43，而在4000秒结束时，这一结果也只有2.42；不改变与减少20%的压电系数之差为2.25，在4000秒结束时，这一差值依旧保持2.25。可见仅仅

9、对于初始位移产生作用，反应到压电系数上就是初始压电系数会随着初始瞬态模量的改变而改变，但是在之后的过程中的变化并不会给材料的压电系数带来明显变化。改变极限模量Ev改变极限模量，给予其上下20%的扰动，并与没有扰动的模型进行对比，发现除了在初始时刻3者之间几乎毫无差距，增加和减少会引起压电系数在每一时刻的减少和增加并且差距越来越大。这是因为表示了聚合物经过充分蠕变后的极限模量，因此它的大小对于初始时刻的压电系数并没有明显影响，而在随后的时间中，由于极限模量的增大而导致最终压电系数的减少。改变粘弹性系数Nm这幅图展现了粘弹性系数对压电系数随时间变化曲线的影响。可以看到三种情况下压电系数初始值之间的

10、差距很小，但是三者之间的差距随着时间的增加不断增加。产生这一现象的原因是伴随着时间的增加，孔洞结构内部的分子链之间发生相对滑移，这导致产生了不可恢复的塑性变形，而这一塑性变形往往是时间的线性函数。从图中也可以发现，压电系数随时间的变化在中后期开始几乎保持线性增加，具有较小粘弹性系数的曲线增加的较快，具有较大粘弹性系数的曲线增加的就相对缓慢。较大的粘弹性系数表示了材料内部存在较大的粘滞阻力，也即代表了分子链之间发生相对滑移的速度会变得较慢，反映到材料上就是位移的变化较为缓慢。因此可以从图中看到较大的曲线随着时间的变化来得更为平滑。同样的道理，粘弹性系数较小即粘滞阻力较小，分子链之间的相对滑移来得较快，反映到材料上就是位移的变化较快，从图中可以看到压电系数随时间的变化曲线来得更陡峭。从图中可得知，粘弹性系数对材料的压电系数的影响在初始时刻甚微，但是会在整个时间跨度中发挥作用。改变松弛时间Nv改变控制松弛时间的变量。其他变量保持不变，分别增加了50%和减少50%。与不改变参数情况下的模型相比，可以从图中看到，在初始时刻和最终时刻，三种情况下的压电系数都重叠在一起。其实在进行到1000秒左右时，三者之间的差距已经不明显了。在前1000秒的过程中减少50%的曲线起初上升速度较快，在400秒后增速明显放缓，之后慢慢接近稳定值。增加50