CN111682099A - 一种柔性聚合物压电薄膜及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性聚合物压电薄膜及其制备方法，属于压电薄膜技术领域。一种柔性聚合物压电薄膜，依次包括表面带正电荷的驻极体薄膜、介电隔膜和表面带负电荷的驻极体薄膜，两个驻极体薄膜的带电荷面相对设置，驻极体薄膜与介电隔膜均为有机聚合物；一种柔性聚合物压电薄膜的制备方法，用于制备上述柔性压电聚合物薄膜。本发明通过静电相互吸引，将介电隔膜紧紧地组装在中间，形成柔性压电薄膜，工艺更加简单、方便；正负电荷形成的偶极矩模拟了压电材料的偶极子，不受材料居里温度的影响，能够有效地提高材料的工作温度、压电系数等性能；而介电隔膜和驻极体薄膜均为有机聚合物，因此，机械柔性能比无机压电材料更为优良。
Description
技术领域
本发明属于压电薄膜的领域，更具体地，涉及一种柔性聚合物压电薄膜及其制备方法。
背景技术
随着柔性可穿戴器件在便携性、集成化与轻柔化方面的需求日益增加，基于柔性轻质的传感、超声、功能器件的应用技术已经成为压电领域重点关注的研究内容之一。而作为其中核心组件之一的压电材料，其优劣也成为了影响可穿戴柔性传感器、柔性超声材料、柔性声学传感器的性能的关键因素之一。这些器件要求电极不仅具有优异稳定的压电性能，同时还需具备轻薄柔软、成本低廉，能适应大规模生产，且具有良好的柔性，以及高热稳定性等特点。
在现有技术中，已经提出了多种材料可作为潜在替代物被大量研发，如采用在柔性衬底上通过沉积一些无机压电材料如钛酸钡等，但是其薄膜机械抗弯折性的问题一直待解决；而在柔性方面，较多采用聚合物压电材料和一些无机化合物和聚合物混合物等都可以作为候选材料。但是通过比较可以发现：无机压电材料的压电性能虽高，但硬度高难以满足柔性需求；无机压电聚合物混合物的压电性能较小，且由于居里温度过低导致热稳定性较差；相比而言，基于全聚合物的透明压电薄膜，制备工艺简单，具有良好的柔性等特点，因而具备广阔的发展前景。
但是，现有的聚合物压电材料的制备条件苛刻、制备工艺复杂、热稳定性较差，同时可见光透过率、压电性能等往往也不高。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性聚合物压电薄膜的制备方法，其目的在于解决现有技术中聚合物压电材料由于制备条件苛刻而热稳定性、透光率、压电性能等较差的技术问题。
为实现上述目的，本发明的第一方面，提供了一种柔性聚合物压电薄膜，依次包括表面带正电荷的驻极体薄膜、介电隔膜和表面带负电荷的驻极体薄膜，两个所述驻极体薄膜的带电荷面相对设置，所述驻极体薄膜与所述介电隔膜均为有机聚合物。
通过上述技术方案，本发明具备以下优点：
1.通过正负电荷形成的偶极矩模拟了压电材料的偶极子，不受材料居里温度的影响，因此，在材料温度升高后，不会出现偶极子排序混乱导致压电失效的情况，所以本发明的压电薄膜具有较高的工作温度；
2.介电隔膜和驻极体薄膜均为有机聚合物，因此，机械柔性比无机压电材料更为优良，同时通过三片薄膜的静电吸引进行组装，工艺更简单。
本发明的第二方面，提供了一种柔性聚合物压电薄膜的制备方法，用于制备上述的一种柔性聚合物压电薄膜，包括以下步骤：
薄膜的制备：使用有机聚合物材料制备一片表面带正电荷的驻极体薄膜、一片表面带负电荷的驻极体薄膜与一片介电隔膜；
组装：将介电隔膜放置在两片驻极体薄膜之间，且两片驻极体薄膜的带电荷面相对，通过静电组装形成聚合物压电薄膜。
通过上述技术方案，本发明具备以下优点：
介电隔膜位于中间层，而位于上下两层的驻极体薄膜带异种电荷，通过静电相互吸引，从而能将介电隔膜紧紧地组装在中间，形成剪切强度更大、更耐高温的柔性压电薄膜，且工艺简单、方便，适合大规模量产。
附图说明
图1是实施例一与实施例二中的一种柔性聚合物压电薄膜的结构图；
图2是不同测试温度下压电薄膜d33的数据图；
图3是压电薄膜形成不同天数后d33的数据图；
图4是不同材质的介电聚合物隔膜制成的压电薄膜的d33数据图；
图5(a)是静电组装的柔性聚合物压电薄膜进行力学性能测试的光学照片；
图5(b)是静电组装的柔性聚合物压电薄膜进行力学性能测试的原理图；
图5(c)是静电组装的柔性聚合物压电薄膜的剪切力和位移之间的关系图；
图5(d)是静电组装的柔性聚合物压电薄膜悬挂300g砝码的示意图；
图6是不同材质的介电聚合物薄膜制成的压电薄膜的剪切强度数据图；
图7是实施例三中的一种柔性聚合物压电薄膜的结构图；
图8是实施例四中的一种柔性聚合物压电薄膜的结构图；
图9是实施例五中的一种柔性聚合物压电薄膜的结构图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明第一方面提出一种柔性聚合物压电薄膜，依次包括表面带正电荷的驻极体薄膜、介电隔膜和表面带负电荷的驻极体薄膜，两个驻极体薄膜的带电荷面相对设置，驻极体薄膜与介电隔膜均为有机聚合物。整个聚合物压电薄膜一共为三层，位于中间的介电隔膜通过上下两片驻极体薄膜的静电相互作用组装成膜材料。
该压电薄膜由驻极体薄膜与介电隔膜构成，三层膜之间通过正负电荷模拟偶极矩压电材料的偶极子，因此，在保证压电性能的前提下不受材料的居里温度影响，从而能够有效地提高压电薄膜的稳定性。通过改变驻极方式、驻极体薄膜与介电聚合物隔膜的厚度和以及各层薄膜的材质，可以提升压电薄膜的压电性能。
其中，驻极体薄膜和介电隔膜均由有机聚合物材料制成，驻极体薄膜的表面能够贮存电荷，其材质可以选择：聚四氟乙烯(PTFE)、聚全氟乙丙烯(FEP)等绝缘聚合物薄膜材料例如聚三氟氯乙稀(PCTFE)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、四氟乙稀和六氟丙稀共聚物和聚乙稀PE等为主。介电隔膜的表面则不带电荷，其材质可以选择聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯醇缩丁醛(PVB)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰亚胺(PI)、聚偏氟乙烯(PVDF)等。具体的材质可根据实际需求进行选择。
本发明的第二方面提出一种柔性聚合物压电薄膜的制备方法，用于制备本发明中公开的柔性聚合物压电薄膜，包括以下步骤：
膜的制备：使用有机聚合物材料制备一片表面带正电荷的驻极体薄膜、一片表面带负电荷的驻极体薄膜与一片介电隔膜；
组装：将介电隔膜放置在两片驻极体薄膜之间，且两片驻极体薄膜的带电荷面相对，通过静电组装形成聚合物压电薄膜。
本发明提供的压电薄膜的制备方法只需要先做三层膜，然后将三层膜通过静电组装即可完成，在保证压电性能的前提下该制备方法工艺简单，适合产业化大规模量产。
实施例一
参照图1，介电隔膜的上下表面与驻极体薄膜的带电荷面在投影下的重合面积为100％的贴合，驻极体薄膜带电荷面的带电荷面积占其与介电隔膜投影重合面积的100％。具体地，介电隔膜的上下表面为平整状态，这种状态下，介电隔膜与驻极体薄膜之间的静电吸引力更强更，压电性能更为稳定，，静电吸引力更强使得薄膜的结构更稳定，压电性能稳定性高使得薄膜的的数据更为可靠。
表面带正电荷的驻极体薄膜与表面带负正电荷的驻极体薄膜的材质相同、厚度相等，所述压电薄膜的压电性能满足以下公式：
其中，d33表示压电系数，驻极体薄膜(electret)和介电隔膜(dielectric)的厚度分别用dE和dD表示，σE表示上下驻极体薄膜等量的表面电荷密度，εE和εD分别是驻极体薄膜和介电聚合物隔膜的相对介电常数，YE和YD是驻极体薄膜和介电聚合物隔膜的杨氏模量。
进一步地，dE的范围为5-40μm，dD的范围为：1μm～30μm，由于三个膜的材料厚度均一，内部没有空间分布的压电畴结构，因此，光散射现象减少，光透过更多，组装形成的柔性聚合物压电薄膜具有更高的透光率与更大的压电系数。
进一步地，σE通过表面电位表征，表面电位的范围为：±350-±900V，驻极体薄膜表面的电位在该范围内，可以保证压电薄膜良好的压电系数与剪切强度。本实施例中将介电隔膜放置在两片驻极体薄膜之间，且两片驻极体薄膜的带电荷面相对的具体步骤可以为：
先将其中一个表面带电荷的驻极体薄膜平铺，并将带电荷的一面朝上；然后将制备好的介电隔膜平铺在该驻极体薄膜上；最后将另一个带异种电荷的驻极体薄膜平铺在介电隔膜上，带电荷的一面朝下。可以先平铺表面带正电荷的驻极体薄膜，也可以先平铺表面带负电荷的驻极体薄膜。
也可以为：
先将两个驻极体薄膜的带电荷面相对，并使二者之间间隔有一定距离，然后将制备好的介电隔膜放置在两个驻极体薄膜的中间，带电的驻极体薄膜相互靠近，通过静电吸引夹住中间的介电隔膜。
也可以为：
先将两个驻极体薄膜和介电隔膜分别收纳在不同的放卷辊上，然后通过一个收卷辊同时对三个膜进行叠加收卷。
在组装步骤中不论采用平铺叠加组装还是卷对卷的叠加组装：表面带正电荷的驻极体薄膜、表面带负电荷的驻极体薄膜以及介电隔膜在静电吸引的区域均为展平状态，并且两片驻极体薄膜的带电荷区域相互对应，然后在正负电荷的吸引下实现对中间层的夹紧，从而使得上下两片驻极体薄膜的带电荷区域能与介电隔膜上下表面平整贴合，从而达到较大的剪切强度，较好的压电性能。
带电荷的驻极体薄膜可以通过高压电晕极化、等离子极化、电子束极化、摩擦极化等方法，使聚合物表面带正电荷或负电荷而形成。具体的极化步骤可以在空气环境下进行，也可以在惰性气体环境下或真空条件下进行。极化温度在50-80℃，时间为1-5分钟，在此温度下，可以使得材料具有较大的电荷密度。
中间层的介电隔膜的制备步骤则具体为：通过旋涂法在聚对苯二甲酸类基底上形成一层或多层有厚度的有机聚合物，然后对该有机聚合物进行烧结，可制备出上下表面平整的介电隔膜，使得介电隔膜与驻极体薄膜之间的贴合面积为介电隔膜面积的100％。旋涂的厚度可以自行选择，也可以选择直接购买符合厚度和材料性能的商用介电薄膜。
针对图1结构的压电薄膜对不同材质及厚度的薄膜进行了不同的组装，形成如下实施例：
实施例1-1：在环境中将厚度为12.5μm的聚全氟乙丙烯(FEP)驻极体薄膜平铺在接地的金属底电极上并紧密接触；采用高压电晕法施加20kV的偏压对FEP驻极体薄膜进行电荷注入3分钟，使其表面带正电荷，表面电势为800V，获得带正电的FEP。
将另一厚度为12.5μm的FEP驻极体薄膜采用高压电晕法施加-20kV的偏压进行电荷注入3分钟，使其表面带负电荷，表面电势为-800V，获得带负电的FEP薄膜。
将带正电荷的FEP驻极体薄膜平铺后，再平铺一层厚度为1.5μm的聚偏氟乙烯(PVDF)介电聚合物隔膜，然后将带负电荷的FEP驻极体薄膜平铺在介电聚合物隔膜上，通过静电组装后获得柔性聚合物压电薄膜。
对实施例1-1所制得的样品测试，压电薄膜的剪切强度为12kPa，在可见光550nm波长下透过率为75％，压电系数d33为70pC/N，证明了在驻极体薄膜与介电隔膜的界面处形成了偶极子结构，具有良好的压电性能，并能够保持稳定的性能。
下面对上述样品的性能进行验证：设置中间层和上下层的材质与厚度均不变，在不同的测试温度下进行压电性能的测试，获取不同的测试温度对压电薄膜d33的影响，如图2所示，通过本发明制成的压电薄膜可以耐受高达435K的温度。在组装完压电薄膜后的不同天数后进行压电性能的测试，获取压电薄膜制成后其压电性能d33随时间天数的变化情况，如图3所示，通过本发明制成的压电薄膜可以长时间保持优良的压电性能。
在本发明中，中间层介电隔膜作为技术的关键点之一，对压电薄膜的性能产生着重要的影响：
由于介电隔膜的材质不同，其杨氏模量与介电常数也不同，因此，形成的压电薄膜的压电系数也不相同。下面保持带正电荷及负电荷的驻极体薄膜的材质及厚度、介电隔膜的厚度不变，只改变介电隔膜的材质以研究介电隔膜的材质对压电薄膜性能的影响：上下层驻极体薄膜仍为FEP，中间层介电隔膜则依次选择PVB、PAN、PI、PVA、PVDF几种材质进行对比，获取压电薄膜的d33，结果如图4所示，可看出不同材质的介电隔膜的杨氏模量与介电常数存在差异，导致压电薄膜的压电系数不同。
由于介电隔膜的材质不同，静电组装后的压电薄膜的力学性能也不相同，对上述不同的5种材质的介电隔膜的压电薄薄膜进行图5(a)中所示的剪切力测试：测试的压电薄膜如图5(b)中所示，FEP薄膜长3cm、宽1cm，两片FEP薄膜与中间层介电聚合物隔膜的重叠面积为1cm2；分别将上、下两层的驻极体薄膜固定在电子万能测试机上进行剪切力测试，测试速度为10mm/分钟，压电薄膜的静电剪切力和位移之间的关系如图5(c)中所示，直至组装的压电薄膜部分发生分离，通过图5(d)可见，此压电薄膜可以悬挂起300g的砝码。最终获得的这些不同材质的介电聚合物隔膜对压电薄膜剪切强度的影响如图6所示，本实施例中选择的PVDF材质的介电薄膜制成压电薄膜后的剪切强度为12kPa，其他材质制成的压电薄膜剪切强度更高，因此，可以证明通过本发明制成的压电薄膜静电吸引力更强，结构更加稳定。
实施例1-2：在环境中将厚度为10μm的聚四氟乙烯(PTFE)驻极体薄膜平铺在接地的金属底电极上并紧密接触；采用高压电晕法施加20kV的偏压对PTFE驻极体薄膜进行电荷注入5分钟，并同时对驻极体薄膜进行加热至50℃，使其表面带正电荷，表面电势为900V，获得带正电的PTFE，对驻极体薄膜加热不是必需的步骤，但是通过加热可以提高电荷稳定性。
将另一厚度为10μm的PTFE驻极体薄膜采用高压电晕法施加-20kV的偏压进行电荷注入5分钟，使其表面带负电荷，表面电势为-900V，获得带负电的PTFE薄膜。
将带正、电荷负电的PTFE驻极体薄膜的带电荷面相对，在中间放置厚度为10μm的聚酰亚胺(PI)介电隔膜，通过静电组装后获得柔性聚合物压电薄膜。
对实施例1-2所制得的样品进行测试，薄膜的剪切强度为18kPa，在可见光550nm波长的透过率在83％，压电系数d33为45pC/N，可以耐受高达420K的温度，证明了在驻极体与介电隔膜的界面处形成了偶极子结构，具有良好的压电性能，本实施例的压电薄膜可以耐受高达420K的温度。
实施例1-3：在环境中将厚度为8μm的聚四氟乙烯(PTFE)驻极体薄膜平铺在接地的金属底电极上并紧密接触；采用高压电晕法施加20kV的偏压对PTFE驻极体薄膜进行电荷注入4分钟，使其表面带正电荷，表面电势为700V，获得带正电的PTFE。
将另一厚度为8μm的PTFE驻极体薄膜采用高压电晕法施加-20kV的偏压进行电荷注入4分钟，使其表面带负电荷，表面电势为-700V，获得带负电的PTFE薄膜。
将带正、电荷负电的PTFE驻极体薄膜的带电荷面相对，在中间放置厚度为10μm的聚丙烯腈(PAN)介电隔膜，通过静电组装后获得柔性聚合物压电薄膜。
对实施例1-3所制得的样品进行测试，薄膜的剪切强度为22kPa，在可见光550nm波长的透过率在86％，压电系数d33为30pC/N，可以耐受高达415K的温度，证明了在驻极体与介电隔膜的界面处形成了偶极子结构，具有良好的压电性能。
表1对比了实施例1-1至实施例1-3的一些参数性能：
本发明通过驻极体能够半永久带电的能力和正负电荷的静电相互作用进行叠层材料的组装，可以高质量控制、高效率、低成本地制得所需的柔性压电薄膜，且制成的压电薄膜具有高压电系数、高可见光透过率、高柔韧性、优良的高温耐受能力等诸多优异性能，适用于扬声器、力学传感、能量收集、声学传感、超声换能等各种应用。
实施例二
仍然以图1的结构所示的压电薄膜为例，即介电隔膜的上下表面与驻极体薄膜的带电荷面在投影下的重合面积为100％的贴合，驻极体薄膜带电荷面的带电荷面积占其与介电隔膜投影重合面积的100％。但表面带正电荷的驻极体薄膜与表面带负正电荷的驻极体薄膜的材质不同和/或厚度不同，改变驻极体薄膜的材质和/或厚度，形成了如下实施例：
实施例2-1：在环境中将厚度为25μm的聚三氟氯乙稀(PCTFE)驻极体薄膜平铺在接地的金属底电极上并紧密接触；采用高压电晕法施加20kV的偏压对PCTFE驻极体薄膜进行电荷注入4分钟，使其表面带正电荷，表面电势为350V，获得带正电的PCTFE。
将另一厚度为12.5μm的FEP驻极体薄膜采用高压电晕法施加-20kV的偏压进行电荷注入3分钟，使其表面带负电荷，表面电势为-380V，获得带负电的FEP薄膜。
将带正电荷的PCTFE和带负电荷的FEP驻极体薄膜的带电荷面相对，在中间放置厚度为20μm的聚二甲基硅氧烷(PDMS)介电隔膜，通过静电组装后获得柔性聚合物压电薄膜。
对本实施例所制得的样品进行测试，薄膜的剪切强度为9kPa，在可见光550nm波长的透过率为85％，压电系数为28pC/N，可以耐受高达363K的温度，具有良好的压电性能。
实施例2-2：在真空中，将厚度为25μm的聚四氟乙烯(PTFE)驻极体薄膜采用电子束注入法对PTFE驻极体薄膜进行电荷，使其表面带负电荷，表面电势为-700V，获得带负电的PTFE薄膜。
将另一厚度为20μm的PTFE驻极体薄膜放置在相同的装置下，但高压电晕针施加15kV的偏压，金属栅网施加与电晕电压极性相同的偏压0.8kV，通过击穿空气对PTFE驻极体薄膜进行电荷注入2分钟，使其表面带正电荷，表面电势为700V，获得带正电的PTFE薄膜。
将带正、负电荷的PTFE驻极体薄膜的带电荷面相对，在中间放置厚度为12μm的聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)介电隔膜，通过静电组装后获得柔性聚合物压电薄膜。
对本实施例所制得的样品进行测试，薄膜的剪切强度为12kPa，在可见光550nm波长的透过率在82％，压电系数为44pC/N，可以耐受高达398K的温度，具有良好的压电性能。
实施例2-3：在真空条件下将厚度为15μm的聚三氟氯乙稀(PCTFE)驻极体薄膜平铺在接地的金属底电极上并紧密接触，通过Gama射线辐照，获得带负电的PCTFE薄膜，表面电势为-400V。
将另一厚度为25μm的聚乙稀(PE)驻极体薄膜放置在相同的装置下，但高压电晕针施加15kV的偏压，金属栅网施加与电晕电压极性相同的偏压0.8kV，通过击穿空气对PE驻极体薄膜进行电荷注入2分钟，使其表面带正电荷，表面电势为400V，获得带正电的PE薄膜。
将带正电荷的PE和带负电荷的PCTFE驻极体薄膜的带电荷面相对，在中间放置厚度为20μm的聚氯乙烯(PVC)介电隔膜，通过静电组装后获得柔性聚合物压电薄膜。
对本实施例所制得的样品进行测试，薄膜的剪切强度为10kPa，在可见光550nm波长的透过率在82％，压电系数为32pC/N，可以耐受高达402K的温度，具有良好的压电性能。
表2对比了实施例2-1至实施例2-3的一些参数性能：
通过表2可以发现，对于上下层表面电荷密度、材质或厚度不同的驻极体薄膜，形成的压电薄膜的压电性能与驻极体薄膜的表面电荷密度成正比，并且与驻极体薄膜、介电隔膜的厚度、介电常数和杨氏模量密切相关。且对比表1可以发现，上下层表面电荷密度相同、材质相同、厚度相同的驻极体薄膜的压电系数、透光率、耐高温、剪切强度的上限更高，但在实际生产过程中，可以根据不同的产品应用需求、成本因素等搭配不同参数的三层膜，来获得综合情况下最优性能的压电薄膜。
实施例三
本发明中公开的中间层介电隔膜可以根据实际需求不限于上述实施例中公开的材质、形状。
如图7所示，介电隔膜的上下表面与驻极体薄膜的带电荷面之间有贴合的面积不为100％，而是至少为30％且小于100％。表面带正电荷的驻极体薄膜与表面带负正电荷的驻极体薄膜的材质、厚度可以相同，也可以不相同，当两片驻极体薄膜的材质、厚度均相同时，压电薄膜的压电性能满足以下公式：
其中，d33表示压电系数，驻极体薄膜(electret)和介电隔膜(dielectric)的厚度分别用dE和dD表示，σE表示上下驻极体薄膜等量的表面电荷密度，εE和εD分别是驻极体薄膜和介电聚合物隔膜的相对介电常数，YE和YD是驻极体薄膜和介电聚合物隔膜的杨氏模量。
具体地，通过如热压法可以在介电隔膜的上下表面开设孔洞，使得介电隔膜的上下表面与驻极体薄膜的带电荷面之间有部分面积不能贴合，但是贴合的面积至少为30％且小于100％，以保证整个压电薄膜良好的压电性能及抗剪切强度,。
将厚度为12.5μm的PTFE薄膜进行处理，形成表面带正电荷的PTFE驻极体薄膜；将厚度为12.5μm的PTFE薄膜进行处理，形成表面带负电荷的PTFE驻极体薄膜。将带正电的驻极体薄膜与带负电的驻极体薄膜带电荷面相对，在中间放置厚度为1.5μm的PVDF介电隔膜，通过静电组装后获得柔性聚合物压电薄膜。
其中，PVDF介电隔膜的上下表面有70％的面积开设有孔洞，因此，其与驻极体薄膜的带电荷面在投影下的重合面积为30％的贴合，对该样品进行测试，剪切强度为9kPa，在可见光550nm波长的透过率在72％，压电系数为60pC/N，可以耐受高达405K的温度，具有良好的压电性能。
实施例四
如图8所示，本发明公开的中间驻极体薄膜的带电荷面可以间隔带电，驻极体薄膜带电荷面的带电荷面积至少占其与介电隔膜投影重合面积的30％且小于100％。表面带正电荷的驻极体薄膜与表面带负正电荷的驻极体薄膜的材质、厚度可以相同，也可以不相同，当两片驻极体薄膜的材质、厚度均相同时，压电薄膜的压电性能满足以下公式：
其中，d33表示压电系数，驻极体薄膜(electret)和介电隔膜(dielectric)的厚度分别用dE和dD表示，σE表示上下驻极体薄膜等量的表面电荷密度，εE和εD分别是驻极体薄膜和介电聚合物隔膜的相对介电常数，YE和YD是驻极体薄膜和介电聚合物隔膜的杨氏模量。
将厚度为12.5μm的PTFE薄膜进行处理，采用掩模板覆盖驻极体表面，电晕后形成表面条纹间隔地带正电荷的PTFE驻极体薄膜；将厚度为12.5μm的PTFE薄膜进行处理，形成表面条纹间隔地带负电荷的PTFE驻极体薄膜。驻极体薄膜带电荷面的带电荷面积占其与介电隔膜在投影下重合面积的30％，将带正电的驻极体薄膜与带负电的驻极体薄膜带电荷面相对，在中间放置厚度为6μm的PVDF介电隔膜，通过静电组装后获得柔性聚合物压电薄膜。
对样品进行测试，剪切强度为8kPa，在可见光550nm波长的透过率在74％，压电系数为55pC/N，可以耐受高达415K的温度，具有良好的压电性能。
实施例五
本发明中公开的中间层介电隔膜可以不限于一层。
如图9所示，也可根据实际需求使得中间层介电隔膜为多层有机聚合物叠加形成，所述介电隔膜中多层有机聚合物的材质和厚度相同或不同。表面带正电荷的驻极体薄膜与表面带负正电荷的驻极体薄膜的材质、厚度可以相同，也可以不相同，当两片驻极体薄膜的材质、厚度均相同，且中间的多层介电隔膜之间的材质也相同时，压电薄膜的压电性能满足以下公式：
其中，d33表示压电系数，驻极体薄膜(electret)的厚度为dE，中间层介电隔膜(dielectric)的厚度和为dD，σE表示上下驻极体薄膜等量的表面电荷密度，εE和εD分别是驻极体薄膜和介电聚合物隔膜的相对介电常数，YE和YD是驻极体薄膜和介电聚合物隔膜的杨氏模量。
将厚度为12.5μm的PTFE薄膜进行处理，形成表面带正电荷的PTFE驻极体薄膜；将厚度为12.5μm的PTFE薄膜进行处理，形成表面带负电荷的PTFE驻极体薄膜。将带正电的驻极体薄膜与带负电的驻极体薄膜带电荷面相对，在中间放置厚度为3μm的PVDF介电隔膜，通过静电组装后获得柔性聚合物压电薄膜。中间层的PVDF介电隔膜为两层1.5μm的PVDF介电隔膜叠加形成。
对样品进行测试，剪切强度为10kPa，在可见光550nm波长的透过率在73％，压电系数为42pC/N，可以耐受高达408K的温度，具有良好的压电性能。
在实际的运用中，也可通过在上述提供的压电薄膜的表面蒸镀、溅射、印刷导电层，以制成压电薄膜器件。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性聚合物压电薄膜，其特征在于，依次包括表面带正电荷的驻极体薄膜、介电隔膜和表面带负电荷的驻极体薄膜，两个所述驻极体薄膜的带电荷面相对设置，所述驻极体薄膜与所述介电隔膜均为有机聚合物。
2.根据权利要求1所述的柔性聚合物压电薄膜，其特征在于，所述介电隔膜与所述驻极体薄膜的带电荷面在投影下的重合面积至少有30％的贴合。
3.根据权利要求2所述的柔性聚合物压电薄膜，其特征在于，所述介电隔膜与所述驻极体薄膜的带电荷面在投影下的重合面积为100％的贴合。
4.根据权利要求3所述的柔性聚合物压电薄膜，其特征在于，所述驻极体薄膜带电荷面的带电荷面积至少占其与介电隔膜投影重合面积的30％。
5.根据权利要求3或4所述的柔性聚合物压电薄膜，其特征在于，表面带正电荷的驻极体薄膜与表面带负正电荷的驻极体薄膜的材质相同、厚度相等，所述柔性聚合物压电薄膜的压电系数d33为：
其中，dE表示驻极体薄膜的厚度，dD表示介电隔膜的厚度，σE表示两片驻极体薄膜相等的表面电荷密度，εE和εD分别是驻极体薄膜和介电隔膜的相对介电常数，YE和YD是分别是驻极体薄膜和介电隔膜的杨氏模量。
6.根据权利要求5所述的柔性聚合物压电薄膜，其特征在于，dE的范围为5-40μm，dD的范围为1μm～30μm，σE通过表面电位表征，表面电位的范围为±350-±900V。
7.根据权利要求3或4所述的柔性聚合物压电薄膜，其特征在于，表面带正电荷的驻极体薄膜与表面带负正电荷的驻极体薄膜的材质不同和/或厚度不同。
8.根据权利要求3或4所述的柔性聚合物压电薄膜，其特征在于，所述介电隔膜为单层或多层有机聚合物叠加形成。
9.一种柔性聚合物压电薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
薄膜的制备：使用有机聚合物材料制备一片表面带正电荷的驻极体薄膜、一片表面带负电荷的驻极体薄膜与一片介电隔膜；
组装：将介电隔膜放置在两片驻极体薄膜之间，且两片驻极体薄膜的带电荷面相对，通过静电组装形成聚合物压电薄膜。
10.根据权利要求9所述的柔性聚合物压电薄膜的制备方法，其特征在于，静电组装过程中：
表面带正电荷的驻极体薄膜、表面带负电荷的驻极体薄膜以及介电隔膜在静电吸引区域为展平状态，并且两片驻极体薄膜的带电荷区域相互对应，以与介电隔膜的上下表面平整贴合。
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| CN111682099B (zh) | 2022-01-07 |
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