CN112885956A - 一种pvdf压电薄膜及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及压电材料领域，具体是指一种PVDF压电薄膜及其制备方法。PVDF压电薄膜包括PVDF压电薄膜层，压电薄膜层的上表面具有凸出的压力感应微结构阵列，下表面具有凹型沟槽结构；凹形沟槽结构内填充导电材料，导电材料通过导线与控制模块连接。实现了将压电感应和透明电极两种功能集中在一层PVDF压电薄膜上，节约了成本，弯折时粘合强度和柔韧性显著提高；在上表面压制凸起的压力感应微结构，提高了压电层的灵敏度；在下表面压制沟槽填充导电材料，在提高导电率的同时最大限度地保留了压电薄膜的透光性。该PVDF压电薄膜制备方法简单，制备精度和一致性得到了显著提高。

Description

一种PVDF压电薄膜及其制备方法
技术领域
本发明涉及压电材料领域，具体是指一种PVDF压电薄膜及其制备方法。
背景技术
PVDF压电薄膜是一种新型高分子压电型传感器功能材料，具备质地柔软、重量轻，应用灵敏度高，频响范围宽、柔韧性强、灵敏度高、抗冲击性强、噪声信号小、对结构的力学性能影响小、机械强度高、阻抗匹配好等诸多优点，随着研究的深入，在力、加速度、位移及结构应变等测量方面的应用越来越广泛。
现有PVDF压电薄膜在应用时，采用双层薄膜结构，电极层和压电感应层分别实现其功能，两层PVDF压电薄膜通过粘合的方式结合在一起，弯折时其粘合强度会发生变化，柔韧性较低。而且制备流程繁琐，效率较低。两层压电薄膜的结合也使透光率和一致性较低，在一些对透光率有要求的应用场合，其低透光率不能满足产品要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种PVDF压电薄膜及其制备方法，以达到简化制备流程、提高制备效率，增强压电薄膜的灵敏度和柔韧性，提高透光率、制备精度和一致性的目的。
本发明提供的PVDF压电薄膜，包括PVDF压电薄膜层，压电薄膜层的上表面具有凸出的压力感应微结构阵列，下表面具有凹型沟槽结构；凹形沟槽结构内填充导电材料，导电材料通过导线与控制模块连接。
进一步的，凸出的压力感应微结构的形状为棱锥、圆锥、圆台、半球体、圆柱、棱柱中的任何一种或两种及以上的组合。
进一步的，凸出的压力感应微结构在PVDF压电薄膜上表面的排布方式为矩形、三角形、六边形、八边形、平行四边形中的任意一种。
进一步的，凹型沟槽结构填充的导电材料是纳米银颗粒、纳米银线、纳米金颗粒、纳米金线、纳米铜线、纳米铜颗粒、PH1000、石墨烯、碳纳米管中的任意一种或两种及以上的组合。
进一步的，凹型沟槽结构的截面形状为矩形、V形、梯形、半圆形、五边形、六边形中的任意一种。
进一步的，凹型沟槽结构槽口宽度尺寸为500nm~50μm，凹槽深度与槽口宽度比为0.1~10。
基于所述PVDF压电薄膜的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：根据产品需要，确定PVDF压电薄膜层上表面压力感应微结构和下表面凹型沟槽结构的形状、分布及尺寸，并在双面卷对卷热压机的道具辊和压力辊上进行相应设置；
步骤二：使用双面卷对卷热压机将PVDF压电薄膜进行压印，形成上表面的压力感应微结构阵列和下表面的凹型沟槽结构，压印完成后，将PVDF压电薄膜从模具中剥离；
步骤三：使用刮涂设备或旋涂设备在下表面的凹型沟槽结构中填入导电材料，并加热固化；
步骤四：将经过固化后的导电材料通过导线与控制模块连接。
本发明提供的PVDF压电薄膜实现了将压电感应和透明电极两种功能集中在一层PVDF压电薄膜上，节约了成本，弯折时粘合强度和柔韧性显著提高；在上表面压制凸起的压力感应微结构，提高了压电层的灵敏度；在下表面压制沟槽填充导电材料，在提高导电率的同时最大限度地保留了压电薄膜的透光性。该PVDF压电薄膜制备方法简单，制备精度和一致性得到了显著提高。
附图说明
图1为一种PVDF压电薄膜图。
图2为一种PVDF压电薄膜的仰视图。
图3为一种PVDF压电薄膜多控制模块的连接示意图。
图4为一种PVDF压电薄膜单控制模块的连接示意图。
具体实施方式
实施例1：
一种PVDF压电薄膜，包括PVDF压电薄膜层1，压电薄膜层的上表面具有凸出的压力感应微结构101，下表面具有凹型沟槽结构102；凸出的压力感应微结构101的形状为三棱锥，在PVDF上表面以平行四边形的阵列排布；压力感应微结构101底面三角形的高为500nm，三棱锥的高为250nm；凹型沟槽结构102的截面形状为矩形，凹型沟槽结构102在下表面平行排布；凹形沟槽102槽口宽度为500nm，槽口深度为3μm，沟槽间距为100μm，凹形沟槽结构102内填充导电材料3是纳米银线，纳米银线填充宽度为500nm，纳米银线通过导线201与控制模块2连接。
根据确定的PVDF压电薄膜层上表面压力感应微结构和下表面凹型沟槽结构的形状、分布和尺寸，在双面卷对卷热压机的道具辊和压力辊上进行相应设置；使用双面卷对卷热压机将PVDF压电薄膜1进行压印，形成上表面的压力感应微结构阵列101和下表面的凹型沟槽结构102，压印完成后，将PVDF压电薄膜1从模具中剥离；使用刮涂设备或旋涂设备在下表面的凹型沟槽结构102中填入纳米银线，并加热固化；确定纳米银线与控制模块2的连接方式，将经过固化后纳米银线通过导线201与控制模块2连接。
当用手触摸PVDF压电薄膜1时，通过PVDF压电薄膜上层微结构阵列101捕捉压力大小的变化，转换为电信号通过纳米银线将电信号传递到控制模块2，控制模块2接收到信号之后通过一系列的计算，根据力度大小给出不同的反馈信号。
进一步地，在实施例1的基础上，本发明还进行了实施方式2-8；具体如下：
实施例2：
凹型沟槽结构102槽口宽度为1μm，纳米银线填充宽度为1μm。其他同实施例1。
实施例3
凹型沟槽结构102槽口宽度为10μm，纳米银线填充宽度为10μm。其他同实施例1。
实施例4
凹型沟槽结构102槽口宽度为25μm，纳米银线填充宽度为25μm。其他同实施例1。
实施例5
凹型沟槽结构102槽口宽度为50μm，纳米银线填充宽度为50μm。其他同实施例1。
实施例6：
将单层PVDF压电薄膜不做任何处理作为对照组。
实施例7：
每条凹形沟槽结构102中的纳米银线与单独的控制模块3一一对应，分别连接，如附图3所示，其他同实施例1。
实施例8：
每条凹形沟槽结构102中的纳米银线通过导线连接到同一个控制模块3上，如附图4所示，其他同实施例1。
对比实施例7和实施例8可以发现，实施例7中当用手触摸PVDF压电薄膜1时，通过PVDF压电薄膜上层微结构阵列101捕捉压力大小的变化，转换为电信号，通过PVDF下表面纳米银线将电信号传递到相应的控制模块2，该控制模块2接收到信号之后通过计算，输出施压部位的地址信息，并根据力度大小给出不同的反馈信号；而实施例8中，所有纳米银线连接到同一个控制模块2，可以降低成本，触摸产生的电信号通过纳米银线传递到同一个控制模块2中，控制模块2可以捕捉到所有纳米银线传递的信息，灵敏度较高，但是无法辨别施压部位。
性能测试：
透光率和方阻测试：
在上述实施方式1-5的PVDF压电薄膜上选取测量点，测量不同的纳米银线填充宽度下PVDF压电薄膜的透光率和方阻。
透光率的测量方法依据《GB/T 2410-2008 透明塑料透光率和雾度的测定标准》中的分光光度计法，方阻的测量使用MCP-T370型号的Loresta-AX低阻率计。测定实施例1-5中透光率和方阻的具体数值如下：
表1纳米银线填充宽度对透光率和方阻的影响
Figure RE-DEST_PATH_IMAGE001
对比实施例1和实施例6的测试结果可以发现，纳米银线填入凹形沟槽结构，可以提高薄膜的导电率，降低透光率。
对比实施例1和实施例2、3、4、5的结果可以发现，透光率随着填充宽度的增加逐渐降低，而方阻随填充宽度的增加逐渐增加。透光率和方阻作为一对矛盾的指标，在实际应用过程中，可以根据实际需要选择填充宽度，优化凹形沟槽结构的几何分布，以获得合适的透光率和方阻值。
灵敏度测试：
在实施例1和实施例6的PVDF压电薄膜上选取测量点，测量上表面设置凸起的压电感应微结构阵列对灵敏度的影响。
根据PVDF压电薄膜的信号采集模式，在压电薄膜上选取测量点，使用型号为ZJ-3AN的准静态D33测量仪，依据《GB/T 11309-1989压电陶瓷材料性能测试方法》进行纵向压电应变常数d33的准静态测试。
测得实施例1灵敏度数值为18.6（pC/N），实施例6灵敏度数值为15.2（pC/N）。对比测试结果可以发现，实施例1中PVDF压电薄膜的灵敏度明显高于实施例6。
在PVDF压电薄膜上表面设置压力感应微结构阵列，可以将外界施加压力聚集于一点或几个点，避免实施例6中压力呈平面式分布，从而使薄膜产生更灵敏的压力响应，所以，在PVDF压电薄膜上表面设置压力感应微结构阵列101可以显著提高压电感应层的灵敏度。
上述发明提供的PVDF压电薄膜将两层压电薄膜的功能集成于一层，节约了成本，提高了弯折时的粘合强度和柔韧性；在上表面压制凸起的压力感应微结构，压电感应层的灵敏度显著提高；在下表面压制沟槽填充导电材料，在提高导电率的同时最大限度地保留了压电薄膜的透光性；单层PVDF压电薄膜制备方法简单，制备精度和一致性得到了显著提高。

Claims (7)

1.一种PVDF压电薄膜，其特征在于：包括PVDF压电薄膜层（1），压电薄膜层的上表面具有凸出的压力感应微结构阵列（101），下表面具有凹型沟槽结构（102）；凹形沟槽结构（102）内填充导电材料（3），导电材料（3）通过导线（201）与控制模块（2）连接。
2.根据权利要求1所述的PVDF压电薄膜，其特征在于：凸出的压力感应微结构（101）的形状为棱锥、圆锥、圆台、半球体、圆柱、棱柱中的任何一种或两种及以上的组合。
3.根据权利要求2所述的PVDF压电薄膜，其特征在于：凸出的压力感应微结构（101）在PVDF压电薄膜上表面的排布方式为矩形、三角形、六边形、八边形、平行四边形中的任意一种。
4.根据权利要求1所述的PVDF压电薄膜，其特征在于：凹型沟槽结构（102）填充的导电材料是纳米银颗粒、纳米银线、纳米金颗粒、纳米金线、纳米铜线、纳米铜颗粒、PH1000、石墨烯、碳纳米管中的任意一种或两种及以上的组合。
5.根据权利要求4所述的PVDF压电薄膜，其特征在于：凹型沟槽结构（102）的截面形状为矩形、V形、梯形、半圆形、五边形、六边形中的任意一种。
6.根据权利要求5所述的PVDF压电薄膜，其特征在于：凹型沟槽结构（102）槽口宽度尺寸为500nm~50μm，凹槽深度与槽口宽度比为0.1~10。
7.根据权利要求1所述PVDF压电薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：根据产品需要，确定PVDF压电薄膜层上表面压力感应微结构和下表面凹型沟槽结构的形状、分布及尺寸，并在双面卷对卷热压机的道具辊和压力辊上进行相应设置；
步骤二：使用双面卷对卷热压机将PVDF压电薄膜（1）进行压印，形成上表面的压力感应微结构阵列（101）和下表面的凹型沟槽结构（102），压印完成后，将PVDF压电薄膜（1）从模具中剥离；
步骤三：使用刮涂设备或旋涂设备在下表面的凹型沟槽结构（102）中填入导电材料（3），并加热固化；
步骤四：将经过固化后的导电材料通过导线（201）与控制模块连接。
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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WO2023115687A1 (zh) * 2021-12-24 2023-06-29 苏州大学 基于挠曲电效应的压电聚合物膜及其制备方法

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