CN103201868A - 具有双层基底元件的机电转换器和这种机电转换器的制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及至少包含具有在其中形成中空空间(5)的聚合物层复合材料的机电转换器，其中所述聚合物层复合材料包含至少一个聚合物层基底元件(1)，其包含具有软化温度TgA的载体层(1a)和与其大范围粘合的具有软化温度TgE的驻极体层(1b)，其中TgA>TgE，和第二聚合物层元件(2)，其中聚合物层基底元件(1)以其驻极体层(1b)至少部分与第二聚合物层元件(2)粘合，形成中空空间(5)。本发明还涉及机电转换器，例如压电转换器的制造方法及其用途。
Description
本发明涉及具有双层聚合物层基底元件的机电转换器及其制造方法。本发明还涉及这种机电转换器的用途。
机电转换器利用了一些材料由于外加机械载荷产生电势的能力。这种性质被称作压电性。公认的压电材料是钛酸铅锆（PZT）和氟化聚合物，如聚偏二氟乙烯（PVDF）。在发泡闭孔聚丙烯（PP）中也已经观察到压电性能。为了实现压电性，在强电场中将这种聚丙烯泡沫充电。因此，在孔隙内发生电击穿，这生成宏观偶极子（Makrodipole）并将该材料宏观极化。这样的聚丙烯铁电驻极体具有数百皮库伦/牛顿的压电系数。为了进一步提高传感器作用的灵敏度，已经开发出多个相互堆叠的泡沫的多层体系。
Gerhard等人（2007 Annual Report Conference on Electrical
Insulation and Dielectric Phenomena, 第453至456页）描述了三层铁电驻极体，其中在两个均匀的氟乙烯丙烯膜之间布置带有多个均匀通孔（通过机械或激光钻孔）的聚四氟乙烯膜。
R.A.P.
Altafim, X. Qiu, W. Wirges, R. Gerhard, R.A.C. Altafim,
H.C. Basso, W. Jenninger和J. Wagner在文章"Template-based
fluoroethylenepropylene piezoelectrets
with tubular channels for transducer applications"（已被接受发表在Journal of Applied Physics中）中已经描述了具有均匀尺寸和结构的管状中空空间的铁电驻极体的有利简单的制造方法。在那里所述的方法中，首先制备两层FEP箔（FEP：全氟乙烯丙烯共聚物）和中间的PTFE屏蔽箔的夹层布置。将所得箔堆叠体层压，将FEP箔彼此粘合在一起，随后除去屏蔽箔以留出中空空间。
对机电转换器，特别是压电转换器用于商业用途，例如用于传感器和致动器系统的兴趣持续增长。就经济性而言，制造方法必须可以以工业规模使用。
因此，本发明的目的是提供开头提到的类型的机电转换器及其制造方法，该方法甚至在大规模和工业规模下也可以简单便宜地进行。
根据本发明，使用包含具有在其中形成中空空间的聚合物层复合材料的机电转换器实现该目的，其中所述聚合物层复合材料至少包含
- 聚合物层基底元件，其包含具有软化温度TgA的载体层和大范围粘合的具有软化温度TgE的驻极体层，其中载体层的软化温度TgA >
驻极体层的软化温度TgE（TgA >
TgE）和
- 第二聚合物层元件，
且聚合物层基底元件与其驻极体层至少部分粘合到第二聚合物层元件上以形成中空空间。
换言之，根据本发明的聚合物层复合材料具有上下叠置分层的聚合物薄膜，特别是聚合物箔和至少在各两层聚合物箔之间形成的中空空间。在此，聚合物箔在中空空间之间彼此粘合。本发明的一个重要的要素在于，所述至少所述聚合物层基底元件是得自载体层和驻极体层的双层聚合物复合材料。
软化温度也被称作玻璃化转变温度并且是非晶聚合物从液体或橡胶弹性、挠性态转化成玻璃样或硬弹性、脆性态的温度。根据本发明，在混合相聚合物层，特别是半结晶聚合物材料的情况中，聚合物层的软化温度Tg的值和范围任选分别也包括熔融温度。
根据本发明的聚合物层基底元件是由不同聚合物材料构成的两层聚合物层，特别是聚合物薄膜的双层结构，其中驻极体层的聚合物材料具有低于载体层的聚合物材料的软化温度TgE。该聚合物层基底元件根据本发明也被称作基底元件。该基底元件优选由连续的聚合物层，特别是聚合物薄膜形成。但是，例如在驻极体层中的基底元件也可以具有空隙。
根据本发明，载体层承担了驻极体层的载体-和支承功能并有利地赋予该任选结构化的基底元件以及与第二聚合物层元件形成的聚合物层复合材料充足的机械和热稳定性。
根据本发明，该驻极体层大范围地，例如在整个表面上与载体层粘合并根据本发明由具有良好电荷储存性质的聚合物材料形成。由于载体层的支承功能，可以使驻极体层比在无载体层的实施方式中更薄。
已经令人惊讶地发现，根据本发明构建的机电转换器除了良好的压电性质之外还有利地具有特别好的在聚合物层之间的粘合和特别好的机械稳定性。在根据本发明的结构中，该载体层提供必需的机械和热稳定性。有利地，通过在该复合材料中使用载体层，还可以在聚合物层基底元件中使用具有良好驻极体性质的甚至是脆性的材料以构建机电转换器。因此，可以根据本发明根据特别合适的电荷储存性质来选择驻极体层，因为必需的机械稳定性由载体层获得。因此可以以简单方式实现根据本发明的机电转换器的特别有利的性质的组合。
在本发明的一个实施方式中，可以如此选择在根据本发明的基础-聚合物层元件中的聚合物层的材料以使载体层的软化温度TgA比驻极体层的软化温度TgE高至少≥ 5℃，例如10℃。这使得聚合物层基底元件易于粘合到第二聚合物层元件上，特别是通过层压法。有利地，该驻极体层可同时充当粘合层；另一方面，该载体层可保持充足的机械稳定性，并在适用时，也支承该基底元件的三维结构。
根据本发明，该载体层原则上可以由能合适与驻极体层粘合并具有足够的载体功能并因此具有机械和热稳定性的聚合物或聚合物混合物形成或包含这样的聚合物或聚合物混合物。例如，在本发明一个有利的实施方式的范围内，该载体层可以包含至少一种聚合物或由其形成，所述聚合物选自聚四氟乙烯（PTFE）、聚碳酸酯和这些聚合物的混合物。
在本发明范围内，驻极体层原则上可以由适合长时间，例如数月或数年容纳电荷的任何聚合物或聚合物混合物形成。根据本发明，驻极体层可优选包含至少一种选自下述的聚合物或由其形成：聚碳酸酯、全氟化或部分氟化的聚合物和共聚物，如聚四氟乙烯（PTFE）、氟乙烯丙烯（FEP）、全氟烷氧基乙烯（PFA），聚酯，如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN），聚酰亚胺，特别是聚醚酰亚胺、聚醚、聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃聚合物、环烯烃共聚物（COC）、聚烯烃，如聚丙烯和这些聚合物的混合物。这样的聚合物可有利地长时间保持已引入的极化。
在本发明的另一个实施方式范围内，在成品机电转换器中，该载体层可具有≥ 6微米至≤ 125微米，优选≥ 10微米至≤ 100微米，例如≥ 15微米至≤ 75微米的层厚度，和/或该驻极体层可具有≥ 6微米至≤ 125微米，优选≥ 10微米至≤ 100微米，例如≥ 15微米至≤ 75微米的层厚度，和/或包含载体层和驻极体层的聚合物层基底元件可具有≥ 20微米至≤ 250微米，优选≥ 30微米至≤ 150微米，例如≥ 50微米至≤ 100微米的总层厚度。
在另一实施方案中，驻极体层的层厚度相对于载体层的层厚度更薄。另外在此，载体层可以由较便宜的材料制成。此外，与无载体层的单个的无支承的驻极体层相比，根据本发明可以使根据本发明的驻极体层各自比无载体层的实施方案中更薄，因为由载体层提供了必要的稳定性。因此，根据本发明可以明显更节省材料地制作驻极体层。由此可以提供可更便宜制造，同时具有同样好或甚至改进的机电和机械性质的所得机电转换器。
在本发明的另一实施方式中，所述第二聚合物层元件可包含至少一层含有间隙的第一聚合物层和一层连续的聚合物层，即在该层内没有间隙或中空空间。换言之，根据本发明因此提供作为夹层结构的聚合物层复合材料，所述夹层结构由至少一个聚合物层基底元件、一层连续的聚合物层和一层布置于其间含有间隙的聚合物层构成。所述含有间隙的聚合物层可以赋予整个布置挠性并且沿其厚度使其更柔软。由此可提高该机电转换器的压电常数d33并因此提高灵敏度。
在本发明另一个实施方式的范围内，所述第二聚合物层元件可包含至少一个第二聚合物层基底元件或形成它，所述第二聚合物层基底元件包含具有软化温度TgA的载体层和大范围与其粘合的具有软化温度TgE的驻极体层，其中TgA > TgE。换言之，根据本发明，例如两个聚合物层基底元件可以一起形成具有其中形成中空空间的聚合物复合材料。在此优选将驻极体层各自直接相互粘合。
根据本发明，在这一实施方式范围内，两个相同的聚合物层基底元件可以一起形成聚合物复合材料。在这种情况下，相应的聚合物层由各自相同的聚合物材料构成。因此，例如两个基底元件的驻极体层由相同材料制成。这同样适用于此实施方式中的载体层。如果如根据本发明优选的那样，驻极体层彼此面对，则可有利地由此得到这些层特别好的可粘合形和因此改进的该粘合的机械稳定性。
根据本发明，同样包括两个不同的由不同聚合物层，即载体和/或驻极体层，构成的聚合物层基底元件一起形成聚合物层复合材料。在这两个基底元件中可以例如使用相同的载体层但具有相同或不同的软化温度TgE的不同驻极体层，或反之亦然。因此，根据本发明，例如考虑到所得机电转换器的具体用途，有利地产生所需要的和所希望的性能良好的可调节性。根据本发明，第一基底元件例如可特别好地储存正电荷的驻极体层，而第二基底元件可具有特别适合储存负电荷的驻极体层，反之亦然。相应地，可由此优化所得机电转换器的电性质。
在一个替代实施方式的范围内，作为根据本发明的聚合物层复合材料，还可提供例如，由两个聚合物层基底元件与一层布置于其间含有间隙的聚合物层构成的夹层布置。换言之，该第二聚合物层元件由含有间隙的聚合物层和第二基底元件构成。在这种情况下，各驻极体层优选与含有间隙的中间聚合物层粘合。相应地，所述间隙优选被驻极体层封闭，形成中空空间。在这样的聚合物层复合材料中，载体层由此形成远离含有间隙的层的聚合物层基底元件的一侧。在这种实施方式中，基底元件也可以相同或不同。
含有间隙的聚合物层可以包含例如热塑性弹性体，如热塑性聚氨酯或热塑性聚酯形成或由其形成。这样的材料有利地特别适合实现中空空间中的极化过程和在充电过程后分离在聚合物薄膜中形成的电荷层，例如具有小的导电性。由此可赋予整个布置改进的挠性。此外，可就其柔软度调节该聚合物层复合材料。因此，可再次提高该机电转换器的压电常数d33并因此提高灵敏度。
在本发明另一个实施方式的范围内，所述含有间隙的聚合物层可具有软化温度TgB，其低于基底元件的相邻聚合物层的各自的软化温度，例如低于驻极体层的各自的软化温度TgE，因此所述含有间隙的中间层可另外充当用于例如与驻极体层粘合的粘合层。
在根据本发明的机电转换器的另一个实施方式的范围内，含有间隙的第一聚合物层可具有≥ 10微米至≤ 250微米的层厚度。特别地，该含有间隙的第一聚合物层可具有≥ 50微米至≤ 150微米，优选≥ 75微米至≤ 100微米的层厚度。
根据本发明，所述含有间隙的聚合物层的间隙可以以相同或不同的形状来形成。在根据本发明的机电转换器的一个实施方式中，在此以不具有圆形横截面的形状形成至少部分间隙。
通过以不同形状形成的间隙的组合，一方面可以有利地使所产生的中空空间的总中空空间体积最大化，而另一方面可任选根据一定的用途调整该机电转换器的机电性质，特别是压电性质。
所述间隙可以均匀或不均匀地分布在该机电转换器的含有间隙的聚合物层中。特别地，所述间隙可以均匀地分布在含有间隙的第一聚合物层中。但是，取决于要制造的机电转换器的应用领域，也可以有利地有针对性地使间隙以空间分辨方式不均匀分布在含有间隙的聚合物层中。
通常特别是在朝向连续的聚合物层，特别是聚合物层基底元件的驻极体层的方向上形成贯穿所述含有间隙的聚合物层的所述含有间隙的聚合物层的间隙。至少所述含有间隙的第一聚合物层可具有多个以第一形状形成的间隙和多个以第二形状形成的间隙，且可能地，多个以第三形状形成的间隙等等。
在本发明的范围内，所述间隙例如可以部分或完全地以这样的形状来形成，即该形状具有选自下述的横截面：基本圆形，例如圆形、椭圆或卵形，多边形，例如三角形、矩形、梯形、菱形、五边形、六边形，特别是蜂窝形、十字形、星形和部分圆形和部分多边形，例如S形。含有间隙的层的间隙还可例如具有蜂窝形横截面或形成和/或布置成蜂窝形。形成和布置成蜂窝形间隙一方面产生极大的总中空空间体积。另一方面，可以随蜂窝形间隙的形成和布置实现特别高的机械稳定性。
在含有间隙的聚合物层的所有间隙中，横截面的尺寸可以相同或不同。可以以下述形状来形成所述间隙和由间隙形成的中空空间：具有小面积的形状，如线，例如曲线或直线、单线或交叉线或几何图形的周线，例如十字形的环线或周线，或作为具有较大面积的结构，如矩形、圆形、十字形等。优选如此调节中空空间的形状和尺寸以使第一和第二连续聚合物层，特别是聚合物箔不能垂直于该层的走向在中空空间内互相接触，和/或在制成机电转换器后获得的总中空空间体积尽可能大。换言之，意在使由极化施加于中空空间内表面的正和负电荷尤其不能接触。
在根据本发明的机电转换器的另一实施方式中，聚合物层基底元件和/或第二聚合物层元件可以结构化，特别是三维成型，以在形成具有凸起和/或凹进的垂直轮廓的情况下形成聚合物层复合材料中的中空空间。由于能够以不同的方式形成中空空间，因此可以根据各自的用途可变调节共振频率和压电活性，且特别是压电常数d33。有利地，用根据本发明制成的聚合物层复合材料系统即使在较大面积也可以实现高和均匀的压电效率。这原则上开拓了这些机电转换器的许多用途。
此外，根据本发明的机电转换器可优选包含两个电极，特别是电极层，其中一个电极与聚合物层基底元件的载体层接触，而另一电极在每种情况下在远离聚合物层基底元件的表面侧上与第二聚合物层元件接触。
根据本发明的机电转换器还可包含两个或更多个具有在其中形成中空空间的相互堆叠的聚合物层复合材料，它们各自具有聚合物层基底元件和第二聚合物层元件。换言之，可以由两个或更多个本发明的聚合物复合材料作为单独布置形成堆叠体，这些聚合物复合材料任选已具有电极和/或用相反电荷极化。
例如，在一个堆叠中彼此叠置布置的单个聚合物层复合材料可以是夹层布置，其中第二聚合物层元件由含有间隙的聚合物层和第二聚合物层基底元件构成，且其中所述含有间隙的聚合物层布置在第一和第二聚合物层基底元件的驻极体层之间。所述含有间隙的聚合物层的间隙在一侧上被第一聚合物层基底元件的驻极体层封闭，和在另一侧上被第二聚合物层基底元件的驻极体层封闭，形成中空空间。在此，在一个堆叠中，第一聚合物层复合材料的载体层和第二聚合物层复合材料的载体层可以分别与电极接触。在此，不同的单个布置的两个相邻聚合物层优选具有相同的电荷极化。特别地，不同的单个布置的两个相邻聚合物层，例如载体层可与相同的电极接触。
根据本发明，上述各种实施方式可任选互相结合实现。关于根据本发明的机电转换器的进一步特征，明确参考联系本发明的方法和本发明的用途给出的解释。
本发明还涉及机电转换器，特别是单独地或互相结合地根据上述各种实施方式的机电转换器的制造方法。
用于制造至少包含具有在其中形成中空空间的聚合物层复合材料的机电转换器的方法包括步骤：
A) 提供聚合物层基底元件，其包含具有软化温度TgA的载体层和与其大范围粘合的具有软化温度TgE的驻极体层，其中TgA >
TgE，
B) 提供第二聚合物层元件，
C) 将所述聚合物层基底元件布置在第二聚合物层元件上，其中所述驻极体层面向第二聚合物层元件；和
D) 借助层压将所述聚合物层基底元件与第二聚合物层元件粘合，形成具有在其中形成中空空间的聚合物层复合材料，其中所选层压温度TL低于软化温度TgA并大于或等于软化温度TgE。
根据本发明的方法可便宜而简单地实施，因为既定工艺步骤稍加改造就可以使用。令人惊讶地，按照根据本发明的方法可以获得机械特别稳定并具有良好压电性质的机电转换器。有利地，根据本发明的对聚合物层的选择，特别是选择具有比载体层低的软化温度TgE的聚合物层基底元件中的驻极体层，使得聚合物层复合材料的层压变得容易并使聚合物层特别好地互相粘合成为可能。
优选如此选择层压温度以使其接近驻极体层的软化温度TgE。在此，层压温度TL与驻极体层的软化温度TgE之间的温度差△T (TL,
TE)可以小于10℃，优选小于5℃。根据本发明，在此TL < TgA和TL ≥ TgE适用于层压温度。
在根据本发明的一个工艺方案中，可以通过共挤出或通过溶剂浇铸技术在步骤A)中提供包含载体层和与其大范围粘合的驻极体层的聚合物层基底元件。这些基本确立的制膜法可易于根据本发明来使用，并且此外可有利地自动化。
在根据本发明的方法的另一实施方式范围内，步骤A)和/或步骤B)可包括聚合物层基底元件和/或第二聚合物层元件的结构化和/或三维成型以形成垂直轮廓，即用以形成凸起和凹进。这例如可通过冲压工艺实现。同样优选使用结构化辊或借助于冲压模进行冲压工艺。在使用结构化辊时和在使用结构化冲压模时，在每种情况下都可以将垂直轮廓转移至聚合物层。在此，也可以在冲压工具（即辊或冲压模）的表面上施加凸形-或凹形模具，和/或将该结构化三维转移至聚合物层基底元件和/或第二聚合物层元件上或仅转移至聚合物层，例如驻极体层的一个表面侧。可以在挤出聚合物层后直接进行或作为单独工艺，例如在热压中进行结构化。根据本发明也包括可用冲压工具加工各聚合物层元件和/或两个表面侧上的各聚合物箔。例如，聚合物层基底元件和/或第二聚合物层元件可以在每种情况下使用结构化辊从上侧和下侧冲压并由此结构化。
在该方法的另一替代实施方式中，聚合物层元件和/或聚合物箔的结构化可以在步骤A)或步骤B)中通过在具有任选预回火的轮廓冲模的模具中在例如用压缩空气或另一气体施压下通过使任选加热的聚合物层或聚合物层元件（即基底元件或第二聚合物层元件）变形来进行。例如，可以将聚合物层元件加热至与其至少一个聚合物层，例如载体层的软化温度（玻璃化转变温度）接近的温度，然后通过施以≥ 20至≤ 300巴的压缩空气使其骤然变形。例如，可以将聚碳酸酯箔（例如来自Bayer
MaterialScience AG的Macrofol）加热至刚好低于130-140℃的玻璃化转变温度。随后对该箔施以250巴的压缩空气并压到模具上并能适应该工具的轮廓和永久变形。根据本发明，这也可以转移至双层聚合物层基底元件和/或第二聚合物层元件上。
所述结构化方案的优点在于，可以位置精确地将各所需轮廓转移至聚合物层，特别是聚合物箔上。用上述方法可以有利地几乎随意选择随后在聚合物层复合材料中形成的中空空间的形状和尺寸，并依赖于所选聚合物层材料和它们的性质和各自的层厚可适应所需用途的所需机械和电要求。在此如此选择聚合物层性质和形成的中空空间的形状和尺寸的组合，以使保持距离的箔片在任何用途中都不能接触。所述结构化方法此外具有可以自动化并任选可作为连续工艺进行的优点。
此外在另一实施方式中，该方法可包括工艺步骤E)：将工艺步骤D)中获得的布置，特别是聚合物层复合材料中形成的中空空间的内表面用相反电荷充电。可以例如通过摩擦充电、电子束轰击、对已存在的电极施加电压或电晕放电进行充电。特别可以通过双电极电晕布置进行充电。在此触针电压可以为至少≥ 20
kV，例如至少≥ 25 kV，特别是至少≥ 30 kV。充电时间在此可以为至少≥ 20秒，例如至少≥ 30秒，特别是至少≥ 1分钟。也可以有利地大规模成功使用电晕处理。
在步骤E)中的聚合物层复合材料中形成的中空空间的内表面充电之前和/或之后，该方法可进一步包括工艺步骤F): 将电极施加到聚合物层基底元件，特别是施加到优选连续的载体层上，和将电极施加到第二聚合物层元件上。但是，在本发明范围内，也可以提供已与聚合物层基底元件和/或第二聚合物层元件一起的电极，特别在每种情况下已在其上形成。
可以借助本领域技术人员已知的方法施加电极。为此合适的是例如既定方法，如溅射、喷涂、气相沉积、化学气相沉积（CVD）、印刷、刮涂、旋涂。也可以以预制形式粘贴电极。
所述电极材料可以是本领域技术人员已知的导电材料。为此合适的是例如金属、金属合金、半导体、导电低聚物或聚合物，如聚噻吩类、聚苯胺类、聚吡咯类，导电氧化物或混合氧化物，如氧化铟锡（ITO）或用导电填料填充的聚合物。作为用导电填料填充的聚合物用的填料合适的例如是金属、基于导电碳的材料，例如炭黑、碳纳米管（Carbonanotubes（CNTs））或导电低聚物或聚合物。在此，该聚合物的填料含量优选高于渗滤阈值，其特征在于该导电填料形成连续导电路径。
在本发明范围内，电极也可以结构化。结构化电极例如可以制为以条带或以格栅形式的导电涂层。由此可以另外影响该机电转换器的灵敏度并使其适应特定的用途。例如，可以如此结构化电极以使该转换器具有有源和无源区。特别地，可以如此结构化电极以至于特别在传感器模式中，以空间分辨方式检测信号，和/或特别在致动器模式中，可以有目的地触发有源区。这可以例如通过为有源区提供电极而无源区没有电极来实现。
在根据本发明的方法的另一实施方式中，步骤A)、B)、C)、D)、E)和/或F)特别可作为连续卷到卷工艺进行。有利地，该机电转换器的制造因此可以至少部分作为连续工艺，优选作为卷到卷工艺进行。这特别有利于以商业和工业规模使用该方法。至少一部分制造工艺的自动化简化了所提供的方法并能够便宜地制造机电（特别是压电）转换器。根据本发明，该方法的所有步骤都能够有利地自动化进行。
在另一根据本发明的工艺方案的范围内，工艺步骤G)中可包括一个在另一个上堆叠两个或更多个在工艺步骤D)、E)或F)中获得的布置。换言之，可有利地由任选已带有电极并极化的两个或更多个根据本发明的聚合物复合材料形成堆叠。
关于根据本发明的方法的进一步特征，明确参考联系本发明的机电转换器及其用途给出的解释。
本发明进一步提供根据本发明的机电（特别是压电）转换器作为例如机电和/或声电领域中的传感器、发生器和/或致动器的用途。特别地，根据本发明的机电转换器可用在由机械振动（能量收集）、声学、超声、医疗诊断、声学显微术、机械传感器技术，特别是压力-力-和/或应变传感器技术、机器人学和/或通讯技术，特别是扬声器、振动传感器、光偏转器、膜、玻璃纤维光学调节器、热电检测器、电容器和控制系统获得能量的领域中。
关于本发明的用途的进一步特征，明确参考联系本发明的方法和本发明的机电转换器给出的解释。
借助于附图、下文中的附图说明和下文中的试验说明进一步详细解释根据本发明的机电（例如压电）转换器的根据本发明的制造和结构。在此要指出，附图和试验描述仅是描述性表征并且无意以任何方式限制本发明。
在附图中：
图1显示穿过聚合物层基底元件的示意性横截面；
图2显示穿过第二聚合物层元件的一个实施方式的示意性横截面；
图3a显示穿过作为夹层布置的聚合物层复合材料的示意性横截面，该复合材料具有两个聚合物层基底元件和一个布置于其中包含间隙的聚合物层；
图3b显示充电过程后穿过图3a中所示的布置的示意性横截面；
图3c显示充电过程后和施加电极后穿过图3b中所示的布置的示意性横截面；
图4显示穿过包含与未结构化基底元件粘合的三维结构化基底元件的机电转换器的示意性横截面。
图1显示穿过聚合物层基底元件1的示意性横截面，聚合物层基底元件1包含具有软化温度TgA的载体层1a和与其大范围粘合的具有软化温度TgE的驻极体层1b。图1表明，聚合物层基底元件1是双层聚合物元件，其中聚合物层，即载体层1a和驻极体层1b优选连续形成，即基本上没有间隙或气体夹杂物。根据本发明，驻极体层1b的软化温度TgE低于载体层1a的软化温度TgA。因此，载体层1a的聚合物材料可导致热和机械稳定性，而驻极体层1b可如此布置，使其一方面能有利地充当另一聚合物层元件的粘合层，和另一方面能提供良好的电荷储存性质。因此，用根据本发明的这种双层基底元件1，可以将互相结合的有利性质引入聚合物复合材料，特别是压电转换器中。
图2显示穿过第二聚合物层元件2的一个实施方式的示意性横截面。该聚合物层元件2形成得自聚合物层基底元件1和与其粘合的聚合物层3的聚合物层复合材料，其中聚合物层3包含间隙4。图2表明，在第二聚合物层元件2的这一实施方式中的聚合物层基底元件1经其驻极体层1b与包含间隙4的聚合物层3粘合。
图3a显示穿过作为夹层布置的聚合物层复合材料的示意性横截面，该复合材料具有两个聚合物层基底元件1和一个布置于其中包含间隙4的聚合物层。换言之，根据本发明的第二聚合物层元件2在这一实施方式中包含含有间隙4的聚合物层3和与其粘合的第二聚合物层基底元件1。图3a表明，该聚合物层复合材料中的两个聚合物层基底元件1都经它们的驻极体层1b与含有间隙4的聚合物层3粘合。聚合物层3的间隙4在一侧上被第一基底元件1的驻极体层1b封闭，且在另一侧上被第二基底元件1的驻极体层1b封闭，由此形成中空空间5。
图3b显示在根据本发明的方法的步骤E)极化后，穿过图3a中所示的布置的示意性横截面。图3b表明，第一连续驻极体层1b上的负电荷和第二连续驻极体层1b上的正电荷彼此分离并定位。由于根据本发明，可根据它们良好的电荷储存性质选择驻极体层1b，由此可实现所得机电转换器的特别好的压电性质。在这方面，可通过使用不同材料用于两个驻极体层1b且其中之一是特别好的正电荷储存器，而另一个是特别好的负电荷储存器来实现优化。
图3c显示在充电过程后和施加电极6后，穿过图3a中所示的布置的示意性横截面。第一和第二基底元件1的载体层1a各自与电极6接触。在此情况下，电极6各自在第一和第二载体层1a的表面侧上形成为电极层，其布置在聚合物层基底元件1的远离含有间隙4的聚合物层3的一侧。
包含与未结构化基底元件粘合的三维结构化基底元件的机电转换器的示意性横截面
图4显示穿过包含与未结构化基底元件1粘合的三维结构化基底元件10的根据本发明的机电转换器的示意性横截面。图4表明，两个基底元件1，10优选借助于层压以其驻极体层1b，10b彼此接近互相粘合，形成中空空间5。根据本发明，这两个基底元件1、10各自的载体层1a、10a和/或驻极体层1b、10b可以由相同材料或由不同的聚合物材料制成。如果驻极体层1b、10b使用相同聚合物材料，则驻极体层1b、10b可以获得特别好的互相粘合。相反，在不同的驻极体层1b、10b的情况下，如果为第一结构化基底元件10选择例如可特别好地储存正电荷的聚合物材料的驻极体层10b且第二基底元件1的驻极体层1b由可特别好地储存负电荷的聚合物材料形成，则可以优化所得机电转换器的电性质。可以例如通过冲压工艺实现第一基底元件10的结构化。
实施例1
压电转换器的制造
由得自各自相同的聚碳酸酯APEC作为载体层和各自相同的聚碳酸酯Makrolon®
3108作为驻极体层的共挤出物制备具有总厚度为60微米的第一和第二连续聚合物层基底元件，其中载体层具有软化温度TgA = 180℃和50微米的厚度和驻极体层具有软化温度TgE = 150℃和10微米的厚度。第一聚合物层基底元件通过辊冲压三维结构化，形成垂直轮廓，而第二基底元件，作为第二聚合物层元件，保持平坦和未结构化。这两个基底元件以它们的驻极体层彼此接近，借助于在140℃下的层压粘合，形成中空空间，以获得如图3中所示的聚合物层复合材料。为了使该布置充电，选择在30 kV下电晕处理60 s，这导致在形成的中空空间中帕刑（Paschen）放电并导致在对面的聚合物层上形成相反电荷。如果在根据本发明的布置上施加压力，则由其产生电压。实现70 pC/N的压电常数d33。该聚合物层复合材料表现出惊人好的机械稳定性、聚合物层彼此良好的粘合和良好的压电性质。
实施例2
根据本发明的聚合物层基底元件的制造
为了制造基底元件，共挤出具有软化温度TgA =
180℃的聚碳酸酯薄膜APEC和具有软化温度TgE = 170℃的环烯烃共聚物(COC)的聚合物薄膜。获得具有总厚度为60微米的基底元件，其中载体层的厚度为50微米，而驻极体层的厚度为10微米。环烯烃共聚物(COC)具有特别好的电荷储存性质，但另一方面易碎，因此其可用性通常有限。根据本发明，通过在该聚合物层基底元件中使用载体层，可以令人惊讶地克服这一点，从而可以将环烯烃共聚物的优异驻极体性质与良好的机械和热性质一起转化到本发明的机电转换器中。
Claims (15)
1.机电转换器，其至少包含具有在其中形成中空空间(5)的聚合物层复合材料，
其特征在于，
所述聚合物层复合材料至少包含
- 聚合物层基底元件(1)，其包含具有软化温度TgA的载体层(1a)和与其大范围粘合的具有软化温度TgE的驻极体层(1b)，其中TgA
> TgE，和
- 第二聚合物层元件(2)，其中
所述聚合物层基底元件(1)以其驻极体层(1b)至少部分与第二聚合物层元件(2)粘合，形成中空空间(5)。
2.根据权利要求1的机电转换器，
其特征在于，
所述载体层(1a)包含至少一种聚合物或由其形成，所述聚合物选自聚碳酸酯和这些聚合物的混合物。
3.根据权利要求1或2的机电转换器，
其特征在于，
所述驻极体层(1b)包含至少一种聚合物或由其形成，所述聚合物选自聚碳酸酯、全氟化或部分氟化的聚合物和共聚物，如聚四氟乙烯（PTFE）、氟乙烯丙烯（FEP）、全氟烷氧基乙烯（PFA），聚酯，如聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）或聚萘二甲酸乙二醇酯（PEN），聚酰亚胺，特别是聚醚酰亚胺，聚醚、聚甲基丙烯酸甲酯、环烯烃聚合物、环烯烃共聚物（COC）、聚烯烃，如聚丙烯和这些聚合物的混合物。
4.根据权利要求1至3任一项的机电转换器，
其特征在于，
在成品机电转换器中，
- 载体层(1a)具有≥ 6微米至≤ 125微米的层厚度，和/或
- 成品机电转换器中的驻极体层(1b)具有≥ 6微米至≤ 125微米的层厚度，和/或
- 包含载体层(1a)和驻极体层(1b)的聚合物层基底元件(1)具有≥ 6微米至≤ 250微米的总层厚度。
5.根据权利要求1至4任一项的机电转换器，
其特征在于，
在成品机电转换器中，驻极体层(1b)的层厚度相对于载体层(1a)的层厚度更薄。
6.根据权利要求1至5任一项的机电转换器，
其特征在于，
所述第二聚合物层元件(2)包含至少一层含有间隙(4)的第一聚合物层(3)。
7.根据权利要求1至6任一项的机电转换器，
其特征在于，
所述第二聚合物层元件(2)包含或形成为至少一个第二聚合物层基底元件(1)，所述第二聚合物层基底元件(1)包含具有软化温度TgA的载体层(1a,
10a)和与其大范围粘合的具有软化温度TgE的驻极体层(1b, 10b)，其中TgA
> TgE。
8.根据权利要求1至7任一项的机电转换器，
其特征在于，
将聚合物层基底元件(1)和/或第二聚合物层元件(2)在形成凸起和/或凹进的情况下结构化和/或三维成型以在所述聚合物层复合材料中形成中空空间(5)。
9.机电转换器的制造方法，所述机电转换器至少包含具有在其中形成中空空间(5)的聚合物层复合材料，
其特征在于，
步骤：
A) 提供聚合物层基底元件(1)，其包含具有软化温度TgA的载体层(1a)和与其大范围粘合的具有软化温度TgE的驻极体层(1b)，其中TgA
> TgE，
B) 提供第二聚合物层元件(2)，
C) 将聚合物层基底元件(1)布置在第二聚合物层元件(2)上，其中驻极体层(1b)朝向第二聚合物层元件(2)；和
D) 借助层压使所聚合物层基底元件(1)与第二聚合物层元件(2)粘合，形成具有在其中形成中空空间(5)的聚合物层复合材料，其中所选层压温度TL低于软化温度TgA并大于或等于软化温度TgE。
10.根据权利要求9的方法，
其特征在于，
所述层压温度TL与驻极体层(1b)的软化温度TgE之间的温度差△T (TL, TgE) ≤ 10℃。
11.根据权利要求9或10的方法，
其特征在于，
在步骤A)中，通过共挤出或通过溶剂浇铸技术提供聚合物层基底元件(1)，所述聚合物层基底元件(1)包含载体层(1a)和与其大范围粘合的驻极体层(1b)。
12.根据权利要求9至11任一项的方法，
其特征在于，
步骤A)和/或步骤B)包括聚合物层基底元件(1)和/或第二聚合物层元件(2)的结构化和/或三维成型。
13.根据权利要求9至12任一项的方法，
其特征在于，
所述方法包括进一步步骤
E) 用相反电荷使所述聚合物层复合材料中形成的中空空间(5)的内表面充电。
14.根据权利要求9至13任一项的方法，
其特征在于，
在步骤E)中的使形成的中空空间(5)的内表面充电之前和/或之后，所述方法包括步骤
F) 将电极(6)施加到聚合物层基底元件(1)上和/或施加到第二聚合物层元件(2)上。
15.根据权利要求9至14任一项的方法，
其特征在于，
作为工艺步骤其包括
G) 将两个或更多个得自工艺步骤D)、E)或F)的布置彼此堆叠。
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Application publication date: 20130710 |