CN109141695A - 一种氟碳压电传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种氟碳压电传感器及其制备方法，其中氟碳压电传感器包括聚全氟乙丙烯层、复合聚合物层和电极层，复合聚合物层由聚全氟乙丙烯与纤维聚四氟乙烯复合而成，且复合聚合物层的表面均匀间隔设置有多个条状凹槽；聚全氟乙丙烯层夹设在两层复合聚合物层之间，且两层复合聚合物层的条状凹槽相互交叉排列，以组成呈瓦楞结构的复合氟碳聚合物；电极层包括正、负电极层，正、负电极层分别镀设在复合氟碳聚合物的顶层和底层上。本发明的氟碳压电传感器由于具有瓦楞结构的内部空隙，不仅能减少复合氟碳聚合物的杨氏模量和硬度，使其可以随意弯折，可靠性好；同时能提高电荷存储量，压电反应的灵敏度更高，并且具有体积小、重量轻、可弯折、成本低的特点。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感技术领域，具体涉及一种氟碳压电传感器及其制备方法。
背景技术
目前，大多数传统的压电传感器都是由电池供电，然而这种通过电池供电的压电传感器，其使得设备结构复杂，从而影响了其使用精度。另外，用于生产该传统压电传感器的压电材料存在较低的纵向压电系数、抗脆性差、刚度强等缺陷，而且使用成本高，因此，传统的压电传感器不适合应用电子皮肤领域中。
发明内容
本发明为了解决现有技术存在的上述问题，提供了一种氟碳压电传感器及其制备方法，以解决传统压电传感器，由于其包含的压电材料存在较低的纵向压电系数、抗脆性差、刚度强，且使用成本高等技术问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种氟碳压电传感器，包括聚全氟乙丙烯层、复合聚合物层和电极层，其中：
所述复合聚合物层由聚全氟乙丙烯与纤维聚四氟乙烯复合而成，且复合聚合物层的表面均匀间隔设置有多个条状凹槽；
所述聚全氟乙丙烯层夹设在两层复合聚合物层之间，且两层复合聚合物层的条状凹槽相互交叉排列，以组成呈瓦楞结构的复合氟碳聚合物；
所述电极层包括正电极层和负电极层，所述正电极层和所述负电极层分别镀设在复合氟碳聚合物的顶层和底层上。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述两层复合聚合物层的条状凹槽的交叉角度为90度。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述电极层的材料为银。
作为本发明的另一方面，本发明还提供了一种氟碳压电传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：
S1、将聚全氟乙丙烯和纤维聚四氟乙烯堆叠，并采用两片平面型第一钢板进行第一次热压，以使聚全氟乙丙烯和纤维聚四氟乙烯复合成片状结构的复合聚合物；
S2、将复合聚合物夹设在两片具有多条凹槽的第二钢板中进行第二次热压，以使复合聚合物表面产生多个间隔设置的条状凹槽；
S3、将片状的聚全氟乙丙烯夹设在两片具有条状凹槽的复合聚合物中间，且两片复合聚合物的条状凹槽相互交叉排列，并采用两片平面型第三钢板在高温下进行第三次热压，以形成呈瓦楞结构的复合氟碳聚合物；
S4、将复合氟碳聚合物进行电晕充电，以产生宏观偶极子；
S5、将分别位于放电后的复合氟碳聚合物上下位置的两片复合聚合物作为驻极体，分别镀上电极层，以形成氟碳压电传感器。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述步骤S1中，将聚全氟乙丙烯和纤维聚四氟乙烯堆叠，并采用两片平面型第一钢板进行第一次热压，以使聚全氟乙丙烯和纤维聚四氟乙烯复合成片状结构的复合聚合物具体包括：
所述聚全氟乙丙烯的厚度为50μm，所述纤维聚四氟乙烯的厚度为25μm，孔隙度为60％，第一次热压过程中，温度为120℃，压力为10MPa，热压时间为1～3分钟。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述步骤S2中，将复合聚合物夹设在两片具有多条凹槽的第二钢板中进行第二次热压，以使复合聚合物表面产生多个间隔设置的条状凹槽具体包括：
第二次热压过程中，温度为100℃，压力为10MPa，热压时间为1～3分钟。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述步骤S2中，复合聚合物的两面与带有凹槽的钢板之间还设有作为缓冲层的聚二甲基硅氧烷，所述聚二甲基硅氧烷的厚度为500微米。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述步骤S3中，将片状的聚全氟乙丙烯夹设在两片具有条状凹槽的复合聚合物中间，且两片复合聚合物的条状凹槽相互交叉排列，并采用两片平面型第三钢板在高温下进行第三次热压，以形成呈瓦楞结构的复合氟碳聚合物具体包括：
第三次热压过程中，温度为280℃，压力为1MPa，热压时间为3～5分钟。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述步骤S4中，将复合氟碳聚合物进行电晕充电，以产生宏观的两极具体包括：
将复合氟碳聚合物放置于电晕针下，并采用15千伏的高电压进行电晕充电，以产生宏观的两极。
作为本发明的进一步优选技术方案，所述第一次热压所采用的第一钢板、第二次热压所采用的第二钢板以及第三次热压所采用的第三钢板的大小均为5*5cm2。
本发明的氟碳压电传感器及其制备方法可以达到如下有益效果：
本发明的氟碳压电传感器，通过包括聚全氟乙丙烯层、复合聚合物层和电极层，其中：所述复合聚合物层由聚全氟乙丙烯与纤维聚四氟乙烯复合而成，且复合聚合物层的表面均匀间隔设置有多个条状凹槽；所述聚全氟乙丙烯层夹设在两层复合聚合物层之间，且两层复合聚合物层的条状凹槽相互交叉排列，以组成呈瓦楞结构的复合氟碳聚合物；所述电极层包括正电极层和负电极层，所述正电极层和所述负电极层分别镀设在复合氟碳聚合物的顶层和底层上，使得本发明由于具有瓦楞结构的内部空隙，不仅能减少复合氟碳聚合物的杨氏模量和硬度，而且当两层复合聚合物层的内部表面受到相反极性的电荷时可形成宏观偶极子，并且电荷存储非常高效，从而使得本发明的氟碳压电传感器具有超高灵敏度、体积小、重量轻、制造成本低。
本发明的氟碳压电传感器的制备方法，通过包括以下步骤：S1、将聚全氟乙丙烯和纤维聚四氟乙烯堆叠，并采用两片平面型第一钢板进行第一次热压，以使聚全氟乙丙烯和纤维聚四氟乙烯复合成片状结构的复合聚合物；S2、将复合聚合物夹设在两片具有多条凹槽的第二钢板中进行第二次热压，以使复合聚合物表面产生多个间隔设置的条状凹槽；S3、将片状的聚全氟乙丙烯夹设在两片具有条状凹槽的复合聚合物中间，且两片复合聚合物的条状凹槽相互交叉排列，并采用两片平面型第三钢板在高温下进行第三次热压，以形成呈瓦楞结构的复合氟碳聚合物；S4、将复合氟碳聚合物进行电晕充电，以产生宏观的两极；S5、将分别位于放电后的复合氟碳聚合物上下位置的两片复合聚合物作为驻极体，分别镀上电极层，以形成氟碳压电传感器，使得本发明由于具有瓦楞结构的内部空隙，不仅能减少复合氟碳聚合物的杨氏模量和硬度，而且当两层复合聚合物层的内部表面受到相反极性的电荷时可形成宏观偶极子，并且电荷存储非常高效，从而使得本发明的氟碳压电传感器具有超高灵敏度、体积小、重量轻、制造成本低。
附图说明
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
图1为本发明氟碳压电传感器及其制备方法提供的一实例的结构示意图；
图2为本发明氟碳压电传感器的制备方法提供的一实例的方法流程图；
图3为本发明氟碳压电传感器的制备过程提供的一实例的制备流程示意图。
图中：1、复合聚合物层，2、聚全氟乙丙烯层，3、电极层；
101、第一钢板，102、第二钢板，103、第三钢板；
201、片状结构的复合聚合物，202、聚二甲基硅氧烷，203、具有条状凹槽的复合聚合物，204、片状的聚全氟乙丙烯，205、复合氟碳聚合物，206、银电极。
本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。
如图1所示，氟碳压电传感器包括聚全氟乙丙烯层2、复合聚合物层1和电极层3，其中：
所述复合聚合物层1由聚全氟乙丙烯与纤维聚四氟乙烯复合而成，且复合聚合物层1的表面均匀间隔设置有多个条状凹槽；
所述聚全氟乙丙烯层2夹设在两层复合聚合物层1之间，且两层复合聚合物层1的条状凹槽相互交叉排列，以组成呈瓦楞结构的复合氟碳聚合物，其中，两层复合聚合物层1的条状凹槽的交叉角度为90度；
具体实施中，所述电极层3包括正电极层3和负电极层3，所述正电极层3和所述负电极层3分别镀设在复合氟碳聚合物的顶层和底层上，所述电极层3的材料为银。
如图2所示，一种氟碳压电传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：
步骤S1、将聚全氟乙丙烯和纤维聚四氟乙烯堆叠，并采用两片平面型第一钢板进行第一次热压，以使聚全氟乙丙烯和纤维聚四氟乙烯复合成片状结构的复合聚合物；
步骤S2、将复合聚合物夹设在两片具有多条凹槽的第二钢板中进行第二次热压，以使复合聚合物表面产生多个间隔设置的条状凹槽；
步骤S3、将片状的聚全氟乙丙烯夹设在两片具有条状凹槽的复合聚合物中间，且两片复合聚合物的条状凹槽相互交叉排列，并采用两片平面型第三钢板在高温下进行第三次热压，以形成呈瓦楞结构的复合氟碳聚合物；
步骤S4、将复合氟碳聚合物进行电晕充电，以产生宏观的两极；
步骤S5、将分别位于放电后的复合氟碳聚合物上下位置的两片复合聚合物作为驻极体，分别镀上电极层，以形成氟碳压电传感器。
优选地，为了更好地保证本发明制备得到的氟碳压电传感器的性能，所述步骤S1中，将聚全氟乙丙烯和纤维聚四氟乙烯堆叠，并采用两片平面型第一钢板进行第一次热压，以使聚全氟乙丙烯和纤维聚四氟乙烯复合成片状结构的复合聚合物具体包括：
所述聚全氟乙丙烯的厚度为50μm，所述纤维聚四氟乙烯的厚度为25μm，孔隙度为60％，第一次热压过程中，温度为120℃，压力为10MPa，热压时间为1～3分钟。可以理解的是，根据具体需求还可以将本发明的步骤S1控制在其它相近似的温度值、压力值及其它工艺参数。
优选地，为了更好地保证本发明制备得到的氟碳压电传感器的性能，所述步骤S2中，将复合聚合物夹设在两片具有多条凹槽的第二钢板中进行第二次热压，以使复合聚合物表面产生多个间隔设置的条状凹槽具体包括：
第二次热压过程中，温度为100℃，压力为10MPa，热压时间为1～3分钟。可以理解的是，在具体实施中，还可以根据具体需求还可以将本发明的步骤S1控制在其它相近似的温度值、压力值及其它工艺参数。
具体实施中，所述步骤S2中，复合聚合物的两面与带有凹槽的钢板之间还设有作为缓冲层的聚二甲基硅氧烷，所述聚二甲基硅氧烷的厚度优选为500微米，当然，本发明的设计人员还可以根据设计需要选择其它具体厚度值，在此不做一一例举。
优选地，为了进一步更好地保证本发明制备得到的氟碳压电传感器的性能，所述步骤S3中，将片状的聚全氟乙丙烯夹设在两片具有条状凹槽的复合聚合物中间，且两片复合聚合物的条状凹槽相互交叉排列，并采用两片平面型第三钢板在高温下进行第三次热压，以形成呈瓦楞结构的复合氟碳聚合物具体包括：
第三次热压过程中，温度为280℃，压力为1MPa，热压时间为3～5分钟。在此需说明的是，具体实施中，还可以根据具体需求还可以将本发明的步骤S1控制在其它相近似的温度值、压力值及其它工艺参数。
具体地，所述步骤S4中，将复合氟碳聚合物进行电晕充电，以产生宏观的两极具体包括：
将复合氟碳聚合物放置于电晕针下，并采用15千伏的高电压进行电晕充电，以产生宏观的两极。
具体实施中，所述步骤S5中，使用射频磁控管溅射法在复合氟碳聚合物的上下面镀上银电极，以形成电极层。
具体实施中，所述第一次热压所采用的第一钢板、第二次热压所采用的第二钢板以及第三次热压所采用的第三钢板的大小均为5*5cm2。
本发明的氟碳压电传感器及其制备方法，由于氟碳压电传感器具有瓦楞结构的内部空隙，不仅能减少复合氟碳聚合物的杨氏模量和硬度，而且当两层复合聚合物层的内部表面受到相反极性的电荷时可形成宏观偶极子，使电荷存储非常高效，使得氟碳压电传感器具有超高灵敏度、体积小、重量轻、制造成本低。
为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，下面结合图3并以实施例的形式详细阐述本发明氟碳压电传感器的制备流程。
a：通过两块平面结构的第一钢板101进行第一次热压，得到由聚全氟乙丙烯和纤维聚四氟乙烯复合而成具有片状结构的复合聚合物201；
b→c：采用两块具有条状凹槽结构的第二钢板102，并以聚二甲基硅氧烷202(PDMS)作为缓冲层对上述复合聚合物进行第二次热压；
d：通过两块平面结构的第三钢板103进行第三次热压，得到表面具有条状凹槽的复合聚合物203；
e：将片状的聚全氟乙丙烯204夹设在两片具有条状凹槽的复合聚合物中间，进行第三次热压；
f：由第三次热压，产生具有瓦楞结构的复合氟碳聚合物205；
g：将复合氟碳聚合物205放置在电晕针下进行电晕充电；
h：将电晕充电后的复合氟碳聚合物镀上银电极206。
通过对本实施例的氟碳压电传感器进行灵敏度、稳定性等方面的测试，得到以下测试结果如下：
(1)灵敏度测试
其复合氟碳聚合物(FPS)的灵敏度是Pvdf-trfe(共聚物)的纳米纤维排列的1.4倍，在0.4到2kpa之间的压力范围内显示了1.1伏kPa 1的灵敏度。在1kPa加载/卸载压力下的复合氟碳聚合物的测量响应时间是50毫秒，比ZnO(氧化锌)纳米级的压电压电传感器(150ms)和PDMS微/纳米结构的静电的压电传感器(70ms)要快。
(2)稳定性测试
为了进一步研究复合氟碳聚合物的稳定性，通过输出连续重复的1kPa加载/卸载3万周期的压力来测量的，结果表明复合氟碳聚合物稳定可靠，具有非常好可重复使用性。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。
Claims (10)
1.一种氟碳压电传感器，其特征在于，包括聚全氟乙丙烯层、复合聚合物层和电极层，其中：
所述复合聚合物层由聚全氟乙丙烯与纤维聚四氟乙烯复合而成，且复合聚合物层的表面均匀间隔设置有多个条状凹槽；
所述聚全氟乙丙烯层夹设在两层复合聚合物层之间，且两层复合聚合物层的条状凹槽相互交叉排列，以组成呈瓦楞结构的复合氟碳聚合物；
所述电极层包括正电极层和负电极层，所述正电极层和所述负电极层分别镀设在复合氟碳聚合物的顶层和底层上。
2.根据权利要求1所述的氟碳压电传感器，其特征在于，所述两层复合聚合物层的条状凹槽的交叉角度为90度。
3.根据权利要求1所述的氟碳压电传感器，其特征在于，所述电极层的材料为银。
4.一种氟碳压电传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
S1、将聚全氟乙丙烯和纤维聚四氟乙烯堆叠，并采用两片平面型第一钢板进行第一次热压，以使聚全氟乙丙烯和纤维聚四氟乙烯复合成片状结构的复合聚合物；
S2、将复合聚合物夹设在两片具有多条凹槽的第二钢板中进行第二次热压，以使复合聚合物表面产生多个间隔设置的条状凹槽；
S3、将片状的聚全氟乙丙烯夹设在两片具有条状凹槽的复合聚合物中间，且两片复合聚合物的条状凹槽相互交叉排列，并采用两片平面型第三钢板在高温下进行第三次热压，以形成呈瓦楞结构的复合氟碳聚合物；
S4、将复合氟碳聚合物进行电晕充电，以产生宏观的两极；
S5、将分别位于放电后的复合氟碳聚合物上下位置的两片复合聚合物作为驻极体，分别镀上电极层，以形成氟碳压电传感器。
5.根据权利要求4所述的氟碳压电传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中，将聚全氟乙丙烯和纤维聚四氟乙烯堆叠，并采用两片平面型第一钢板进行第一次热压，以使聚全氟乙丙烯和纤维聚四氟乙烯复合成片状结构的复合聚合物具体包括：
所述聚全氟乙丙烯的厚度为50μm，所述纤维聚四氟乙烯的厚度为25μm，孔隙度为60％，第一次热压过程中，温度为120℃，压力为10MPa，热压时间为1～3分钟。
6.根据权利要求4或5所述的氟碳压电传感器及其制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，将复合聚合物夹设在两片具有多条凹槽的第二钢板中进行第二次热压，以使复合聚合物表面产生多个间隔设置的条状凹槽具体包括：
第二次热压过程中，温度为100℃，压力为10MPa，热压时间为1～3分钟。
7.根据权利要求6所述的氟碳压电传感器及其制备方法，其特征在于，所述步骤S2中，复合聚合物的两面与带有凹槽的钢板之间还设有作为缓冲层的聚二甲基硅氧烷，所述聚二甲基硅氧烷的厚度为500微米。
8.根据权利要求7所述的氟碳压电传感器及其制备方法，其特征在于，所述步骤S3中，将片状的聚全氟乙丙烯夹设在两片具有条状凹槽的复合聚合物中间，且两片复合聚合物的条状凹槽相互交叉排列，并采用两片平面型第三钢板在高温下进行第三次热压，以形成呈瓦楞结构的复合氟碳聚合物具体包括：
第三次热压过程中，温度为280℃，压力为1MPa，热压时间为3～5分钟。
9.根据权利要求8所述的氟碳压电传感器及其制备方法，其特征在于，所述步骤S4中，将复合氟碳聚合物进行电晕充电，以产生宏观的两极具体包括：
将复合氟碳聚合物放置于电晕针下，并采用15千伏的高电压进行电晕充电，以产生宏观的两极。
10.根据权利要求9所述的氟碳压电传感器及其制备方法，其特征在于，所述第一次热压所采用的第一钢板、第二次热压所采用的第二钢板以及第三次热压所采用的第三钢板的大小均为5*5cm2。
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|---|---|---|---|---|
| CN1845353A (zh) * | 2006-03-23 | 2006-10-11 | 同济大学 | 一种多孔聚合物压电驻极体薄膜的制备方法 |
| CN1933206A (zh) * | 2006-10-12 | 2007-03-21 | 同济大学 | 一种可控微孔结构压电功能膜的制备方法 |
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2018
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