CN105047813A - 一种液体芯压电聚合物器件及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

一种液体芯压电聚合物器件及其制备方法和应用，属于压电材料技术领域。在器件表面涂满或部分涂满表面电极，再在压电聚合物器件的腔内注满导电液体或者绝缘液体和金属丝，此时腔内导体和表面电极构成了一对电极，对该器件施加负载，压电材料在受到外部载荷产生变形的时候，内部会有电荷产生，通过对这些电荷的采集、分析可以得出载荷的相关属性。

Description

一种液体芯压电聚合物器件及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种液体芯压电聚合物器件及其制备方法和应用，属于压电材料技术领域。

背景技术

PVDF（聚偏氟乙烯）是一种具有高介电常数的聚合物材料，具有良好的化学稳定性和温度特性、优良的机械性能加工性，并且对提高粘结性能有积极作用。压电复合材料在近年发展较快，所谓压电复合材料就是将颗粒、薄片或纤维等不同的形状和特性的压电材料(如压电陶瓷)，以特定的连通途径镶入聚合物的基体中，形成两相或多相复合体。PVDF压电复合材料的发展，克服了压电陶瓷自身的脆性，因而更加受到重视，并且PVDF压电纤维的使用保持了压电陶瓷的主要刚度和频带带宽，并且可将其用于扭转控制领域；压电纤维和基体的优势互补,增强了作动器的抗破坏性能。用柔性压电复合材料做成的传感器被广泛应用于水声和医用超声传感器，其灵敏度和力学性能很好。

PVDF压电聚合物大多是以板状、薄膜状或是纤维状的形式出现，薄膜状的PVDF研究已经很多，且比较成熟，而纤维状的PVDF压电聚合物的研究还比较滞后，这主要是由于制备比较困难。

发明内容

本发明的目的是针对压电陶瓷等压电器件柔性较差、易碎的局限，突破性的运用聚偏氟乙烯（PVDF）这一压电材料具有高柔性、不易碎等性能，提供一种液体芯压电聚合物器件及其制备方法和应用。

本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种液体芯压电聚合物器件，其特征是，该器件外表面涂有表面电极，器件内部至少设有一个空腔，空腔内设有导体，导体由导电液体构成或者由绝缘液体与金属丝构成。

所述表面电极涂满整个器件外表面或为多个对称布置的电极。

该器件材料为压电聚合物PVDF或P(VDF-Tree)。

所述表面电极材料为金属层、导电胶、导电银浆或炭黑。

所述导电液体为氯化钠溶液、氯化钠溶液加银粉、炭黑溶液中的一种或几种。

该器件的一端用PVDF材料密封，另一端先用密封金属丝塞住，再用柔性胶密封，密封金属丝外径与空腔内径相等，并与空腔内导体导通。

该器件沿长度方向的横截面形状为圆形、多边形、卵形、椭圆形中的一种或几种。

该器件为圆锥体、球体、椭球体或多面体。

液体芯压电聚合物器件的制备方法，其特征是，在圆柱形压电纤维外表面涂覆表面电极，然后将其在100℃的硅油中极化一小时，并随硅油冷却至常温；极化成功后，抽去压电纤维的金属芯，在被抽去金属芯的空腔内设置导体，导体由导电液体构成或者由绝缘液体与金属丝构成，最终制得该器件；

该器件的一端用PVDF材料密封，另一端先用密封金属丝塞住，再用柔性胶密封，密封金属丝与空腔内导体导通，其外径与空腔内径相等；

所述导电液体为氯化钠溶液、氯化钠溶液加银粉、炭黑溶液中的一种或几种；所述表面电极涂满整个器件外表面或为多个对称布置的电极；所述表面电极材料为金属层、导电胶、导电银浆或炭黑。

液体芯压电聚合物器件的应用，其特征是，该器件端部的密封金属丝作为一个电极引出，表面电极作为另一个电极引出，将器件固定在夹具上，并连接到电荷放大器的输入端，将电荷放大器的输出端和数据采集卡连接，再将数据采集卡与电脑连接；

而后对该器件外加载荷，该器件受到载荷发生变形时，会有电荷产生，用电荷放大器将这些电荷信号收集放大后输出到数据采集卡中，通过电脑对采集到的数据进行分析，即可得出所加载荷的属性。

纤维状的PVDF压电聚合物可分为含芯和不含芯两种，含芯PVDF纤维内芯可分为金属芯和液体芯，而液体芯又可分为导电液体和不导电液体（不导电液体内加入细金属丝作为另一个电极）。本发明的纤维状的PVDF压电聚合物器件为液体芯结构，在形状上也多种多样，该器件沿长度方向具有大小相同或不相同的横截面，如圆形、多边形、卵形、椭圆等，还可根据特定要求来改变形状和大小，满足诸如仿生、国防等各种方面的要求。

本发明中在液体芯PVDF纤维可在PVDF纤维表面对称涂布电极（或全电极）后对其进行极化，电极可分为双电极或多电极，其比含金属芯的PVDF纤维更加柔软，且能做成尺寸很小的纤维（直径小于10微米），在仿生领域有很广泛的应用前景。压电材料在受到外部载荷产生变形的时候，内部会有电荷产生，通过对这些电荷的采集、分析可以得出载荷的相关属性。

本发明中，在拉制成功的圆柱形压电纤维表面涂满电极或者部分涂满表面电极（均匀分布两个或者四个电极），压电聚合物器件的腔内注满或部分填充导电液体或者绝缘液体（注：绝缘液体的腔内加入细金属丝作为电极），此时腔内导体和表面电极构成了一对电极，内部液体芯或者细金属丝作为一个电极，表面电极作为另外一个电极。

本发明中压电聚合物器件的特点如下：

第一，结构多样化。本发明的压电聚合物器件设计较新颖，根据该聚合物易熔化易定型特点，在模具的帮助下，可将该聚合物制成多种结构的器件，如横截面形状为圆形、多边形、卵形、椭圆等，以满足不同条件下对器件形状和性能的要求，特别是可以用在仿生领域和军工领域，比如模拟昆虫的平衡棒以及作为水听器使用。

第二，柔性很好。本发明的压电聚合物器件突破了压电陶瓷脆性高、易裂的局限，一般压电陶瓷，虽然压电常数高，施加变形之后产生的电荷数多，但是压电陶瓷柔性很差，不适用与柔性较大的基体的测量，并且压电陶瓷尺寸一般偏大，埋入基体可能会对基体的性能产生影响，而本发明的压电聚合物器件最细可以做到直径10um左右，且柔性很好，将对基体性能影响降低到最小。

第三，充分利用液体的流动性。一般的压电聚合物器件在旋转的过程中不能准确测量，而本发明充分利用液体流动性好的特点，当压电聚合物器件旋转的时候，液体始终在重力的影响下处于和旋转前相同的状态，可用于重力传感等方面。

该压电聚合物器件在使用时，将压电纤维表面电极引出，密封金属丝作为另外一个电极引出。外加载荷后，由于材料的压电性，压电纤维器件在受到载荷发生变形的时候，将会有电荷产生，用电荷放大器将这些电荷信号收集放大后输出到数据采集卡中，将数据采集卡和电脑相连，通过电脑上的软件采集这些数据，对数据进行分析，由此可以得出载荷的诸如大小和方向等的属性。通过改变该器件的外形和内部构造，可以应用于不同领域或者不同物体上。

附图说明

图1是本发明纤维状结构示意图；

图2是本发明球状结构示意图；

图中：1表面电极、2绝缘液体、3金属丝、4PVDF材料、5密封金属丝、6导电液体、7金属芯。

具体实施方式

实施例1

以纤维状压电聚合物器件为例，如图1所示。

一种液体芯压电聚合物器件，该器件材料为压电聚合物PVDF，其外表面涂有表面电极1，表面电极材料为金属层、导电胶、导电银浆或炭黑。表面电极涂满整个器件外表面（全电极）或为多个对称布置的电极（半电极），图1描述的是对称的四电极结构。

器件内部至少设有一个空腔，空腔内设有导体，导体为绝缘液体2与金属丝3构成。该器件为圆锥体、球体、椭球体或多面体，其沿长度方向的横截面形状为圆形、多边形、卵形、椭圆形中的一种或几种。

纤维两端需密封以防止中间液体流出，其中一端用PVDF材料4密封，另一端先用和空腔内径同样粗细的密封金属丝5塞住，再用柔性胶密封，液体中的细金属丝3和密封金属丝5相连导通。

一种液体芯压电聚合物器件的制备方法，在圆柱形压电纤维外表面涂覆表面电极，然后将其在100℃的硅油中极化一小时，并随硅油冷却至常温；极化成功后，抽去压电纤维的金属芯，在被抽去金属芯的空腔内设置导体，导体由导电液体构成或者由绝缘液体与金属丝构成，最终制得该器件；

该器件材料为压电聚合物PVDF，其一端用PVDF材料密封，另一端先用密封金属丝塞住，再用柔性胶密封，密封金属丝与空腔内导体导通，其外径与空腔内径相等；

导电液体为氯化钠溶液、氯化钠溶液加银粉、炭黑溶液中的一种或几种；表面电极涂满整个器件外表面或为多个对称布置的电极；表面电极材料为金属层、导电胶、导电银浆或炭黑。

一种液体芯压电聚合物器件的应用，该器件端部的密封金属丝作为一个电极引出，表面电极作为另一个电极引出，将器件固定在夹具上，并连接到电荷放大器的输入端，将电荷放大器的输出端和数据采集卡连接，再将数据采集卡与电脑连接；

而后对该器件外加载荷，该器件受到载荷发生变形时，会有电荷产生，用电荷放大器将这些电荷信号收集放大后输出到数据采集卡中，通过电脑对采集到的数据进行分析，即可得出所加载荷的属性。

实施例2

一种液体芯压电聚合物器件，该器件材料为压电聚合物P(VDF-Tree)（聚偏三氟乙烯共聚物），其外表面涂有表面电极1，表面电极材料为金属层、导电胶、导电银浆或炭黑。表面电极涂满整个器件外表面（全电极）或为多个对称布置的电极（半电极）。

器件内部至少设有一个空腔，空腔内设有导电液体，导电液体为氯化钠溶液、氯化钠溶液加银粉、炭黑溶液中的一种或几种。该器件为圆锥体、球体、椭球体或多面体，其沿长度方向的横截面形状为圆形、多边形、卵形、椭圆形中的一种或几种。

纤维两端需密封以防止中间液体流出，其中一端用PVDF材料4密封，另一端先用和空腔内径同样粗细的密封金属丝5塞住，再用柔性胶密封，导电液体和密封金属丝5导通。

一种液体芯压电聚合物器件的制备方法，在圆柱形压电纤维外表面涂覆表面电极，然后将其在100℃的硅油中极化一小时，并随硅油冷却至常温；极化成功后，抽去压电纤维的金属芯，在被抽去金属芯的空腔内设置导体，导体由导电液体构成或者由绝缘液体与金属丝构成，最终制得该器件；

该器件材料为压电聚合物P(VDF-Tree)，其一端用PVDF材料密封，另一端先用密封金属丝塞住，再用柔性胶密封，密封金属丝与空腔内导体导通，其外径与空腔内径相等；

导电液体为氯化钠溶液、氯化钠溶液加银粉、炭黑溶液中的一种或几种；所述表面电极涂满整个器件外表面或为多个对称布置的电极；所述表面电极材料为金属层、导电胶、导电银浆或炭黑。

一种液体芯压电聚合物器件的应用，该器件端部的密封金属丝作为一个电极引出，表面电极作为另一个电极引出，将器件固定在夹具上，并连接到电荷放大器的输入端，将电荷放大器的输出端和数据采集卡连接，再将数据采集卡与电脑连接；

而后对该器件外加载荷，该器件受到载荷发生变形时，会有电荷产生，用电荷放大器将这些电荷信号收集放大后输出到数据采集卡中，通过电脑对采集到的数据进行分析，即可得出所加载荷的属性。

实施例3

以球状压电聚合物器件为例，如图2所示。

在球状压电聚合物器件表面均匀涂满表面电极1，球体内部充满导电液体6，金属芯7与腔内液体相接触。

表面电极材料为金属层、导电胶、导电银浆或炭黑，导电液体为氯化钠溶液、氯化钠溶液加银粉、炭黑溶液中的一种或几种。

此时腔内导电液体和表面电极构成了一对电极，内部液体芯（导电液体）作为一个电极，表面电极作为另外一个电极。

本发明运用一种压电聚合物器件，在其表面涂满电极或是均匀（对称）分布两个或四个电极，在规定的方向上或任意方向上对该器件施加连续性的负载或者冲击负载，能实现将压电聚合物器件产生的电荷通过电荷放大器放大后输出为电压信号。

Claims (10)

1.一种液体芯压电聚合物器件，其特征是，该器件外表面涂有表面电极（1），器件内部至少设有一个空腔，空腔内设有导体，导体由导电液体构成或者由绝缘液体（2）与金属丝（3）构成。

2.根据权利要求1所述的一种液体芯压电聚合物器件，其特征是，所述表面电极涂满整个器件外表面或为多个对称布置的电极。

3.根据权利要求1所述的一种液体芯压电聚合物器件，其特征是，该器件材料为压电聚合物PVDF或P(VDF-Tree)。

4.根据权利要求1或2所述的一种液体芯压电聚合物器件，其特征是，所述表面电极材料为金属层、导电胶、导电银浆或炭黑。

5.根据权利要求1所述的一种液体芯压电聚合物器件，其特征是，所述导电液体为氯化钠溶液、氯化钠溶液加银粉、炭黑溶液中的一种或几种。

6.根据权利要求1所述的一种液体芯压电聚合物器件，其特征是，该器件的一端用PVDF材料（4）密封，另一端先用密封金属丝（5）塞住，再用柔性胶密封，密封金属丝外径与空腔内径相等，并与空腔内导体导通。

7.根据权利要求1所述的一种液体芯压电聚合物器件，其特征是，该器件沿长度方向的横截面形状为圆形、多边形、卵形、椭圆形中的一种或几种。

8.根据权利要求1所述的一种液体芯压电聚合物器件，其特征是，该器件为圆锥体、球体、椭球体或多面体。

9.权利要求1-8中任一项所述的液体芯压电聚合物器件的制备方法，其特征是，在圆柱形压电纤维外表面涂覆表面电极，然后将其在100℃的硅油中极化一小时，并随硅油冷却至常温；极化成功后，抽去压电纤维的金属芯，在被抽去金属芯的空腔内设置导体，导体由导电液体构成或者由绝缘液体与金属丝构成，最终制得该器件；

该器件的一端用PVDF材料密封，另一端先用密封金属丝塞住，再用柔性胶密封，密封金属丝与空腔内导体导通，其外径与空腔内径相等；

所述导电液体为氯化钠溶液、氯化钠溶液加银粉、炭黑溶液中的一种或几种；所述表面电极涂满整个器件外表面或为多个对称布置的电极；所述表面电极材料为金属层、导电胶、导电银浆或炭黑。

10.权利要求1-8中任一项所述的液体芯压电聚合物器件的应用，其特征是，该器件端部的密封金属丝作为一个电极引出，表面电极作为另一个电极引出，将器件固定在夹具上，并连接到电荷放大器的输入端，将电荷放大器的输出端和数据采集卡连接，再将数据采集卡与电脑连接；

而后对该器件外加载荷，该器件受到载荷发生变形时，会有电荷产生，用电荷放大器将这些电荷信号收集放大后输出到数据采集卡中，通过电脑对采集到的数据进行分析，即可得出所加载荷的属性。