CN109950045A - 一种具有可调控类挠曲电效应的挠曲电驻极体及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有可调控类挠曲电效应的挠曲电驻极体及其制备方法，设计思路为向聚合物基体中埋入一层静电荷，实现方式为：使用厚度介于1μm～1mm之间的聚合物薄膜，采用电晕充电或接触充电对薄膜进行极化，使其携带表面电荷；然后将其粘接入两层聚合物基体中，形成一个聚合物基体‑聚合物带电薄膜‑聚合物基体的三明治结构，即为所需的挠曲电驻极体；本发明获得的挠曲电驻极体具有强类挠曲电效应，并且被证明该效应和电荷密度以及试样的厚度线性相关，从而具备可调控的特性；该材料制备方法简单，易于大规模生产，可用于能量俘获、柔性传感器、人工皮肤、自供电设备等领域。

Description

一种具有可调控类挠曲电效应的挠曲电驻极体及其制备方法

技术领域

本发明属于功能材料领域，主要涉及提出一种具有可调控类挠曲电效应的挠曲电驻极体及其制备方法。

背景技术

挠曲电效应是一种新兴的机电耦合机制，它存在于所有的电介质材料中，例如陶瓷晶体，液晶材料，生物薄膜，高分子聚合物等。挠曲电效应表现为应变梯度使介电材料产生电极化，或者电场梯度使材料发生变形。由于挠曲电效应存在于所有的介电材料当中，它被视为有望替代压电效应以寻找更加环境友好的力电耦合材料。

软材料具有柔性，生物相容性，易于集成到柔性电子器件中等优势，是研发挠曲电性的柔性力电耦合器件的候选者。然而，柔性和挠曲电系数往往是不可兼得的。陶瓷材料拥有大的挠曲电系数(10^-4C/m)，但其不具备柔性，很容易断裂。最为广泛研究的聚合物聚偏二氟乙烯(PVDF)具备柔性，但是挠曲电系数不高(1.3×10^-8C/m)。因此，在软材料中增强挠曲电系数对于促进力电耦合器件的应用至关重要。

发明内容

为了克服上述现有技术存在的问题，本发明在于提供一种具有可调控类挠曲电效应的挠曲电驻极体及其制备方法，用该方法可使得软驻极体材料具有增强的类挠曲电系数

为了达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种具有可调控类挠曲电效应的挠曲电驻极体，包括两层聚合物基体1和一层聚合物带电薄膜2，所述两层聚合物基体1将一层聚合物带电薄膜2夹在中间成为一体的三明治结构。

所述聚合物基体1的材料采用硅橡胶材料。

所述硅橡胶材料为聚二甲基硅氧烷PDMS或ECOFLEX(一种铂催化硅橡胶)。

所述聚合物带电薄膜2的材料采用四氟乙烯PTFE、聚偏二氟乙烯PVDF、聚丙烯PP、聚乙烯PE、聚对苯二甲酸PET、聚萘二甲酸乙二醇酯PEN)、氟化乙丙烯共聚物FEP或环烯烃共聚物COC。

所述聚合物基体1的厚度为1μm～10mm，聚合物带电薄膜2的厚度为1μm～1mm。

所述的一种具有可调控类挠曲电效应的挠曲电驻极体的制备方法，首先对聚合物薄膜进行极化处理，使聚合物薄膜携带表面电荷形成聚合物带电薄膜2；然后使用混合均匀但尚未固化的硅橡胶作为粘接液，在聚合物带电薄膜2两侧粘接聚合物基体1，随后进行固化，最后形成三明治结构的具有可调控类挠曲电效应的挠曲电驻极体。

所述极化处理采用电晕极化法，电晕极化法充电电压控制为±1kV～±100kV，电极与聚合物薄膜的距离为2cm～20cm，充电时间为1s～1h，充电温度低于聚合物薄膜的熔点温度。

所述固化是在常温到150℃范围中加热进行固化。

本发明具有以下优点：

1、与现有具有最大挠曲电系数的软材料PVDF相比(1.3×10^-8C/m)，本发明获得的等效挠曲电系数提升了大约4倍(5.3×10^-8C/m)。

2、挠曲电驻极体的性能具有可调控性，可以通过带电薄膜的电话和密度以及材料的厚度调节等效挠曲电系数的大小。

3、本发明所用工艺简单易行。

4、利用本发明制备的挠曲电驻极体薄膜可以应用于能量俘获、柔性传感器、人工皮肤等领域。

附图说明

图1为本发明挠曲电驻极体的结构图。

图2为制备流程图，其中图2a为制备实体说明，图2b为文字说明。

图3为三点弯实验测量等效挠曲电系数。

图4为对挠曲电驻极体施加三点弯位移和材料输出电荷的关系图。

图5为挠曲电驻极体输出电荷、等效挠曲电系数和带电薄膜表面电位的关系图。

图6为归一化的挠曲电驻极体等效挠曲电系数和材料厚度的关系图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实例来详细说明本发明，但并不作为对本发明的限定。

如图1所示，本发明一种具有可调控类挠曲电效应的挠曲电驻极体，包括两层聚合物基体1和一层聚合物带电薄膜2，所述两层聚合物基体1将一层聚合物带电薄膜2夹在中间成为一体的三明治结构。

如图2所示，选取厚度为30μm的PTFE薄膜，使用电晕极化法对其进行带电处理，使其携带表面负电荷。电晕充电电压控制为-10kV，电极与膜的距离为7cm，充电温度为常温，不同的样品充电时间分别为5s，20s，1min，3min，5min，目的是为了得到具有不同电荷密度的PTFE带电薄膜，以便探究带电薄膜的电荷密度对类挠曲电效应的影响。

使用静电测量带电薄膜的表面电位，以此代表其充电的程度，也就是电荷密度的大小。

将PDMS液体与固化剂混合均匀，放置入不同尺寸的模具中：长均为80mm，宽均为15mm，厚度分别为1mm，2mm，5mm。在60摄氏度下加热4个小时，得到固化后的PDMS块体。每一种尺寸的制备两块相同的硅胶块体。我们在这里控制厚度的目的是为了探究材料的整体厚度对类挠曲电效应的影响。注意这里PTFE薄膜对于材料整体厚度的贡献可以忽略不计。

PTFE薄膜和PDMS块体制备完毕后，使用混合均匀但尚未固化的PDMS混合液作为粘接液，在100℃下加热1个小时，最后形成如图一所示的三明治结构挠曲电驻极体。

制备出材料后，通过三点弯实验测量其挠曲电系数，如图3所示。根据挠曲电效应的定义，可以得到：

其中，为沿厚度方向的材料的平均极化，为沿厚度方向的平均应变梯度，为等效横向挠曲电系数。平均极化和平均应变梯度可以由下面两个公式得出：

其中，Q为实验中测得的输出电荷量，A为材料的电极面积，δ为对材料施加的位移，L为三点弯实验中底部两个支撑点间的距离，a为电极长度的一半，如图3所示。

如图4所示，画出了三点弯位移和挠曲电驻极体输出电荷的关系图，其中带电薄膜表面电位为-5723V。可以看出，材料对于弯曲加载有很好的电学响应。

如图5所示，在控制材料厚度的条件下(10mm)，等效挠曲电系数的大小和PTFE薄膜的表面电位(电荷密度)呈线性关系，这表明可以在电晕处理环节，通过改变PTFE薄膜的电荷密度来调控挠曲电驻极体的类挠曲电响应。图中的最高点和最低点分别对应于挠曲电驻极体(表面电位为-5723V)和纯PDMS(对照组)，二者的等效挠曲电系数分别为:5.3×10^-8Cm^-1和5.3×10^-10Cm^-1，挠曲电驻极体比纯PDMS的等效挠曲电系数高了整整100倍。

如图6所示，等效挠曲电系数的大小和挠曲电驻极体的厚度呈线性关系，这表明可以材料的厚度来调控挠曲电驻极体的类挠曲电响应。注意在这里将等效挠曲电系数除以带电薄膜的表面电位，以除去电荷密度的影响，探究等效挠曲电系数与厚度的关系。

Claims (8)

1.一种具有可调控类挠曲电效应的挠曲电驻极体，其特征在于，包括两层聚合物基体(1)和一层聚合物带电薄膜(2)，所述两层聚合物基体(1)将一层聚合物带电薄膜(2)夹在中间成为一体的三明治结构。

2.根据权利要求1中所述的一种具有可调控类挠曲电效应的挠曲电驻极体，其特征在于，所述聚合物基体(1)的材料采用硅橡胶材料。

3.根据权利要求2中所述的一种具有可调控类挠曲电效应的挠曲电驻极体，其特征在于，所述硅橡胶材料为聚二甲基硅氧烷PDMS或铂催化硅橡胶ECOFLEX。

4.根据权利要求1中所述的一种具有可调控类挠曲电效应的挠曲电驻极体，其特征在于，所述聚合物带电薄膜(2)的材料采用四氟乙烯PTFE、聚偏二氟乙烯PVDF、聚丙烯PP、聚乙烯PE、聚对苯二甲酸PET、聚萘二甲酸乙二醇酯PEN、氟化乙丙烯共聚物FEP或环烯烃共聚物COC。

5.根据权利要求1中所述的一种具有可调控类挠曲电效应的挠曲电驻极体，其特征在于，所述聚合物基体(1)的厚度为1μm～10mm，聚合物带电薄膜(2)的厚度为1μm～1mm。

6.权利要求1至5任一项所述的一种具有可调控类挠曲电效应的挠曲电驻极体的制备方法，其特征在于，首先对聚合物薄膜进行极化处理，使聚合物薄膜携带表面电荷形成聚合物带电薄膜(2)；然后使用混合均匀但尚未固化的硅橡胶作为粘接液，在聚合物带电薄膜(2)两侧粘接聚合物基体(1)，随后进行固化，最后形成三明治结构的具有可调控类挠曲电效应的挠曲电驻极体。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述极化处理采用电晕极化法，电晕极化法充电电压控制为±1kV～±100kV，电极与聚合物薄膜的距离为2cm～20cm，充电时间为1s～1h，充电温度低于聚合物薄膜的熔点温度。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述固化是在常温到150℃范围中加热进行固化。