一种高压电性能PVDF薄膜及其制备方法和应用

本发明涉及压电材料，尤其涉及一种高压电性能pvdf薄膜及其制备方法和应用。

背景技术：

1、本发明背景技术中公开的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。

2、在铁电聚合物中，聚偏氟乙烯(pvdf)及其共聚物具有最高的介电常数和电活性响应，包括压电、热电和铁电效应，因此在传感器、制动器、能量存储等方面具有巨大的应用价值。聚偏氟乙烯(pvdf)具有四种典型的晶型，包括α、β、γ和δ晶，其中β晶因其分子链具有全反式构象具有所有晶型中最大的极性以及最佳的铁电和压电性能。目前β晶的制备条件较为苛刻，而且报道的纯β-pvdf的压电系数仅为20pm/v～40pm/v，很难满足实际应用的需求。huang等人利用高压电场极化双轴拉伸α-pvdf为纯β-pvdf，其压电系数可达62pc/n，但制备方法比较复杂(nature communications 2021,12(1),675)。因此，获得一种制备方法简易且压电性能高的pvdf尤为重要。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提供了一种高压电性能pvdf薄膜及其制备方法和应用，制备过程简单，且具有非常高的压电系数。

2、第一方面，本发明提供了一种高压电性能pvdf薄膜的制备方法，包括如下步骤：

3、在纯γ-pvdf基膜上蒸镀金属电极，然后施加高压交流电场进行电晕极化或直接接触极化，电场强度为100～600mv/m、交流电的频率为1～100hz，极化时间为1～60min。

4、优选的，所述纯γ-pvdf基膜的制备方法包括如下步骤：

5、将pvdf颗粒在30～80℃下溶解于有机溶剂中，真空脱泡后刮膜，置于30～90℃环境中干燥2～30h，即得。

6、进一步优选的，所述pvdf颗粒的质量分数为5～25wt％；所述溶解时间为5～10h；所述有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺(dmf)、丁酮(mek)、n,n-二甲基乙酰胺(dmac)、二甲基亚砜(dmso)、n-甲基吡咯烷酮(nmp)和六甲基磷酰三胺(hmpa)，优选为dmf；所述真空脱泡的温度为25～80℃，时间为0.1～2h。

7、进一步优选的，所述刮膜步骤具体为：利用100～1000μm的刮刀将pvdf溶液均匀刮涂在洁净的玻璃片、硅片、铝板、铜板或ito导电玻璃板上。

8、进一步的，在干燥后还包括在pvdf熔点以下的温度环境中退火1～24h的步骤，退火温度优选为30～160℃，更优选为30～60℃。

9、优选的，所述纯γ-pvdf基膜的厚度为10～100μm。

10、优选的，所述金属电极为铝电极或金电极；优选的，所述蒸镀方式为真空蒸镀或溅射镀膜。

11、优选的，所述交流电场为恒定场强或递增场强。进一步的，恒定场强的电场强度优选为200～600mv/m；递增场强的递增速率为10～200mv·m-1·min-1。

12、第二方面，本发明提供了上述制备方法制备的高压电性能pvdf薄膜，所述高压电性能pvdf薄膜结构中γ和β晶共存，γ晶含量为40～60％，β晶含量为40～60％；所述高压电性能pvdf薄膜的压电系数在55pm/v以上。

13、第三方面，本发明提供了上述高压电性能pvdf薄膜在压电传感器中的应用。

14、从上述技术方案可以看出，本发明取得了以下有益效果：

15、本发明的制备方法非常简单，无需对pvdf膜进行高温处理或拉伸处理，即可得到具有高压电性能的pvdf薄膜，压电系数稳定在55pm/v以上；具备良好的工业应用价值，适用于实际大规模生产。

技术特征：

1.一种高压电性能pvdf薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纯γ-pvdf基膜的制备方法包括如下步骤：

3.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述pvdf颗粒的质量分数为5～25wt％；所述溶解时间为5～10h；所述有机溶剂为n,n-二甲基甲酰胺、丁酮、n,n-二甲基乙酰胺、二甲基亚砜、n-甲基吡咯烷酮和六甲基磷酰三胺；所述真空脱泡的温度为25～80℃，时间为0.1～2h。

4.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，所述刮膜具体为：利用100～1000μm的刮刀将pvdf的dmf溶液均匀刮涂在洁净的玻璃片。

5.如权利要求2所述的制备方法，其特征在于，在干燥后还包括在pvdf熔点以下的温度环境中退火1～24h的步骤，退火温度优选为30～160℃，更优选为30～60℃。

6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述纯γ-pvdf基膜的厚度为10～100μm。

7.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述金属电极为铝电极或金电极；优选的，所述蒸镀方式为真空蒸镀或溅射镀膜。

8.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述交流电场为恒定场强或递增场强；恒定场强的电场强度优选为200～600mv/m；递增场强的递增速率为10～200mv·m-1·min-1。

9.如权利要求1-8任一项所述的制备方法制备得到的高压电性能pvdf薄膜，其特征在于，所述高压电性能pvdf薄膜结构中γ和β晶共存，γ晶含量为40～60％，β晶含量为40～60％；所述高压电性能pvdf薄膜的压电系数在55pm/v以上。

10.如权利要求9所述的高压电性能pvdf薄膜在压电传感器中的应用。

技术总结
本发明公开了一种高压电性能PVDF薄膜及其制备方法和应用，所述制备方法为，在纯γ‑PVDF基膜上蒸镀金属电极，然后施加高压交流电场进行电晕极化，电场强度为100～600MV/m、交流电的频率为1～100Hz，极化时间为1～60min。本发明制备得到的高压电性能PVDF薄膜结构中γ和β晶共存，γ晶含量为40～60％，β晶含量为40～60％；所述PVDF薄膜的压电系数在55pm/V以上。本发明的制备方法非常简单，无需对PVDF膜进行高温处理或拉伸处理，即可得到具有高压电性能的PVDF薄膜，具备良好的工业应用价值，适用于实际大规模生产。

技术研发人员：张昊,朱汉奇,李海鹏,宋昊颖,王绍娟,闫寿科
受保护的技术使用者：青岛科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15