一种聚偏氟乙烯压电薄膜及其制备和应用

本发明属于压电传感，具体涉及一种聚偏氟乙烯压电薄膜及其制备和应用。

背景技术：

1、近年来，随着物联网和可穿戴电子产品的快速发展，人们对柔性压电传感器和驱动器的需求日益迫切。聚合物压电薄膜由于既具有良好的柔性又具有良好的压电性能而备受关注。在聚合物压电材料中，β相聚偏氟乙烯(pvdf)由于较大的偶极矩而呈现出良好的压电性和铁电性。因此pvdf压电薄膜已经广泛应用于医疗器械、万物互联和可穿戴电子领域。

2、截止到目前，pvdf基压电薄膜的制备过程主要包括两步。第一步主要是控制β相的形成。由于pvdf材料在结晶时容易形成α相，而α相不具有压电性能。为了控制β相的形成及其含量，研究人员主要发展了三种方法。一种是拉伸的方法，通过力学拉伸作用将pvdf材料中的α相转变为β相。另外一种方法是将pvdf与无机纳米粒子共混，通过纳米粒子与pvdf之间的相互作用促进β相pvdf的形成。还有一种方法是将偏氟乙烯与三氟乙烯和氟氯乙烯等材料共聚，形成pvdf共聚物，促使pvdf材料中的α相转变为β相。第二步主要是通过电场极化的方法控制β相晶体的取向。

3、对于用拉伸和共混方法制备的pvdf基压电薄膜，在较高的温度下由于残余应力的释放而丧失压电性能。对于pvdf共聚物，随着共聚单体含量的增加，其居里转变温度也会下降，而其使用温度必须低于居里转变温度。目前pvdf基压电薄膜与传感器的使用温度通常低于80℃。另外，β相pvdf基压电薄膜通常具有热释电效应。因此，β相pvdf基压电薄膜作为传感器使用时，传感器输出的电信号不仅会受到压力的影响，还会受到温度的影响，使压电薄膜传感器的线性度下降。

技术实现思路

1、本发明旨在解决上述问题，提供了一种聚偏氟乙烯压电薄膜及其制备和应用，解决了pvdf基压电薄膜及传感器的温度稳定性问题，同时提高pvdf基压电薄膜及传感器的最高使用温度。

2、按照本发明的技术方案，所述聚偏氟乙烯压电薄膜的材质为聚偏氟乙烯均聚物，聚偏氟乙烯压电薄膜的表面具有粗糙度，所述粗糙度的轮廓算数平均偏差(ra)为0.01-100，均方根(rms)为0.006-60μm。

3、优选的，ra为0.02-1，进一步优选为0.02-0.05，更进一步优选为0.03-0.04。

4、优选的，rms为0.5-5μm，进一步优选为0.07-2μm，更进一步优选为1.4-2μm。

5、进一步的，为了保证聚偏氟乙烯压电薄膜的连续性，聚偏氟乙烯压电薄膜的厚度应大于均方根粗糙度。

6、进一步的，所述粗糙度主要影响聚偏氟乙烯压电膜的压电系数。

7、进一步的，所述聚偏氟乙烯压电薄膜传感器的最高使用温度可以达到170℃，达到聚偏氟乙烯材料的熔点。

8、进一步的，所述聚偏氟乙烯压电薄膜传感器在室温到170℃的温度区间内具有良好的温度稳定性。

9、本发明的第二方面提供了上述聚偏氟乙烯压电薄膜的制备方法，包括以下步骤，

10、s1：在基材的表面制备密布的微纳米结构，形成粗糙度，所述粗糙度的轮廓算数平均偏差为0.01-100，均方根为0.006-60μm；

11、s2：在步骤s1所得基材的表面涂覆聚偏氟乙烯均聚物溶体或溶液；

12、s3：待聚偏氟乙烯均聚物结晶后剥离基材，得到所述聚偏氟乙烯压电薄膜。

13、进一步的，所述基材需要不溶解于聚偏氟乙烯均聚物溶液中的溶剂。

14、进一步的，所述基材为金属材料、无机材料或有机聚合物材料。

15、进一步的，所述金属材料选自金、银、铜、铂、铝和不锈钢等任意一种；所述无机材料选自玻璃和硅片等任意一种；所述有机聚合物材料选自聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚四氟乙烯、聚砜、聚氨酯等任意一种。

16、进一步的，所述步骤s1中，通过模板转印的方式在基材的表面制备密布的微纳米结构。

17、进一步的，所述聚偏氟乙烯均聚物溶液的浓度可以根据所需薄膜的厚度进行调配，优选为5-20wt％。

18、进一步的，所述聚偏氟乙烯均聚物溶液中的溶剂为有机溶剂，选自二甲基亚砜、磷酸三甲酯、甲乙酮、n-甲基吡咯烷酮、丙酮、n,n-二甲基乙酰胺、n,n-二乙基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺和磷酸三乙酯中的一种或多种。

19、进一步的，所述步骤s2中，聚偏氟乙烯均聚物溶液可以通过旋涂、刮涂、喷墨、印刷等方式涂覆到步骤s1所得基材的表面。

20、进一步的，所述步骤s3中，通过加热蒸发的方式去除聚偏氟乙烯均聚物溶液中的溶剂，加热温度为50-200℃，温度的选择以不超过所用溶剂的沸点为宜。

21、本发明的第三方面提供了一种传感器，包括上述聚偏氟乙烯压电薄膜，以及构筑在所述聚偏氟乙烯压电薄膜表面的电极。

22、进一步的，所述传感器具有较高热稳定性和使用温度。

23、进一步的，所述电极为金属电极，其材质为铜、银、铝、锌、铁、镍、铬、钨、钛等中的一种。

24、本发明的技术方案相比现有技术具有以下优点：

25、1.本发明pvdf压电薄膜具有良好的压电性能；

26、2.本发明pvdf压电薄膜具有较好的温度稳定性；

27、3.利用本发明pvdf压电薄膜制备的传感器具有较高的使用温度，有利于其广泛使用。

技术特征：

1.一种聚偏氟乙烯压电薄膜，其特征在于，所述聚偏氟乙烯压电薄膜的材质为聚偏氟乙烯均聚物，聚偏氟乙烯压电薄膜的表面具有粗糙度，所述粗糙度的轮廓算数平均偏差为0.01-100，均方根为0.006-60μm。

2.如权利要求1所述的聚偏氟乙烯压电薄膜，其特征在于，所述聚偏氟乙烯压电薄膜的厚度大于均方根粗糙度。

3.一种权利要求1或2所述的聚偏氟乙烯压电薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤，

4.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述基材不溶解于聚偏氟乙烯均聚物溶液中的溶剂。

5.如权利要求3或4所述的制备方法，其特征在于，所述基材为金属材料、无机材料或有机聚合物材料。

6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述金属材料选自金、银、铜、铂、铝或不锈钢；所述无机材料选自玻璃或硅片；所述有机聚合物材料选自聚二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯、聚砜或聚氨酯。

7.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，通过模板转印的方式在基材的表面制备密布的微纳米结构。

8.如权利要求3所述的制备方法，其特征在于，所述聚偏氟乙烯均聚物溶液的浓度为5-20wt％。

9.如权利要求3或8所述的制备方法，其特征在于，所述聚偏氟乙烯均聚物溶液中的溶剂选自二甲基亚砜、磷酸三甲酯、甲乙酮、n-甲基吡咯烷酮、丙酮、n,n-二甲基乙酰胺、n,n-二乙基乙酰胺、n,n-二甲基甲酰胺和磷酸三乙酯中的一种或多种。

10.一种传感器，其特征在于，包括权利要求1或2所述的聚偏氟乙烯压电薄膜，以及构筑在所述聚偏氟乙烯压电薄膜表面的电极。

技术总结
本发明属于压电传感技术领域，具体涉及一种聚偏氟乙烯压电薄膜及其制备和应用。该聚偏氟乙烯压电薄膜的材质为聚偏氟乙烯均聚物，聚偏氟乙烯压电薄膜的表面具有粗糙度，所述粗糙度的轮廓算数平均偏差为0.01‑100，均方根为0.006‑60μm。本发明PVDF压电薄膜具有良好的压电性能和较好的温度稳定性；利用本发明PVDF压电薄膜制备的传感器具有较高的使用温度，有利于其广泛使用。

技术研发人员：胡志军,王广阔
受保护的技术使用者：苏州大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15