CN117015294A - 一种一体化可拉伸的压电薄膜、传感器及制备方法 - Google Patents
一种一体化可拉伸的压电薄膜、传感器及制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117015294A CN117015294A CN202311284332.2A CN202311284332A CN117015294A CN 117015294 A CN117015294 A CN 117015294A CN 202311284332 A CN202311284332 A CN 202311284332A CN 117015294 A CN117015294 A CN 117015294A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- phase
- piezoelectric
- composite
- inorganic
- elastic
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title claims abstract description 17
- 239000002131 composite material Substances 0.000 claims abstract description 191
- 239000011148 porous material Substances 0.000 claims abstract description 31
- 239000012071 phase Substances 0.000 claims description 319
- 239000011246 composite particle Substances 0.000 claims description 132
- 239000000843 powder Substances 0.000 claims description 69
- 238000007385 chemical modification Methods 0.000 claims description 52
- 239000012074 organic phase Substances 0.000 claims description 51
- 239000000243 solution Substances 0.000 claims description 42
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 41
- 150000003839 salts Chemical class 0.000 claims description 39
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 37
- 125000000524 functional group Chemical group 0.000 claims description 27
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical group CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 21
- 238000003756 stirring Methods 0.000 claims description 20
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 19
- 239000002243 precursor Substances 0.000 claims description 18
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 16
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 claims description 15
- 238000011049 filling Methods 0.000 claims description 15
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 14
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 12
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 12
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 claims description 12
- 238000000576 coating method Methods 0.000 claims description 12
- 239000000126 substance Substances 0.000 claims description 12
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 11
- 235000013870 dimethyl polysiloxane Nutrition 0.000 claims description 11
- CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N octamethyltrisiloxane Chemical compound C[Si](C)(C)O[Si](C)(C)O[Si](C)(C)C CXQXSVUQTKDNFP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 11
- 238000004987 plasma desorption mass spectroscopy Methods 0.000 claims description 11
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 11
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 10
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 125000002887 hydroxy group Chemical group [H]O* 0.000 claims description 10
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 claims description 10
- 230000001939 inductive effect Effects 0.000 claims description 9
- 239000002904 solvent Substances 0.000 claims description 9
- 238000007731 hot pressing Methods 0.000 claims description 8
- 238000002791 soaking Methods 0.000 claims description 8
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 7
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 claims description 7
- 239000007787 solid Substances 0.000 claims description 5
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 4
- FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylacetamide Chemical compound CN(C)C(C)=O FXHOOIRPVKKKFG-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 239000002033 PVDF binder Substances 0.000 claims description 3
- 244000137852 Petrea volubilis Species 0.000 claims description 3
- 238000000227 grinding Methods 0.000 claims description 3
- 229920002981 polyvinylidene fluoride Polymers 0.000 claims description 3
- RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N Copper Chemical compound [Cu] RYGMFSIKBFXOCR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N Silver ion Chemical compound [Ag+] FOIXSVOLVBLSDH-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 2
- 229910052802 copper Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000010949 copper Substances 0.000 claims description 2
- 239000002105 nanoparticle Substances 0.000 claims description 2
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 claims description 2
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 claims description 2
- 229920001296 polysiloxane Polymers 0.000 claims 1
- 230000008878 coupling Effects 0.000 abstract description 31
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 abstract description 31
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 abstract description 31
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 abstract description 4
- 239000004480 active ingredient Substances 0.000 abstract 1
- 239000011149 active material Substances 0.000 abstract 1
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 17
- 239000002042 Silver nanowire Substances 0.000 description 13
- 239000000463 material Substances 0.000 description 13
- 101710134784 Agnoprotein Proteins 0.000 description 9
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 9
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 9
- 230000008569 process Effects 0.000 description 9
- 230000002776 aggregation Effects 0.000 description 8
- 230000010287 polarization Effects 0.000 description 8
- 238000005054 agglomeration Methods 0.000 description 7
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 7
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 7
- NWZSZGALRFJKBT-KNIFDHDWSA-N (2s)-2,6-diaminohexanoic acid;(2s)-2-hydroxybutanedioic acid Chemical compound OC(=O)[C@@H](O)CC(O)=O.NCCCC[C@H](N)C(O)=O NWZSZGALRFJKBT-KNIFDHDWSA-N 0.000 description 6
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 description 6
- 239000012072 active phase Substances 0.000 description 6
- IKDUDTNKRLTJSI-UHFFFAOYSA-N hydrazine monohydrate Substances O.NN IKDUDTNKRLTJSI-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 6
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 6
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 6
- 238000005406 washing Methods 0.000 description 6
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 5
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 5
- VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N methane Chemical compound C VNWKTOKETHGBQD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 5
- 239000012299 nitrogen atmosphere Substances 0.000 description 5
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 4
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 4
- 231100000252 nontoxic Toxicity 0.000 description 4
- 230000003000 nontoxic effect Effects 0.000 description 4
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 4
- 239000006087 Silane Coupling Agent Substances 0.000 description 3
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 3
- 238000001816 cooling Methods 0.000 description 3
- 230000001808 coupling effect Effects 0.000 description 3
- 239000003960 organic solvent Substances 0.000 description 3
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 3
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 3
- 239000000725 suspension Substances 0.000 description 3
- FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M Sodium chloride Chemical compound [Na+].[Cl-] FAPWRFPIFSIZLT-UHFFFAOYSA-M 0.000 description 2
- 238000005411 Van der Waals force Methods 0.000 description 2
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 2
- 239000012530 fluid Substances 0.000 description 2
- 125000001153 fluoro group Chemical group F* 0.000 description 2
- WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N hydroxyacetaldehyde Natural products OCC=O WGCNASOHLSPBMP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 2
- 125000002496 methyl group Chemical group [H]C([H])([H])* 0.000 description 2
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 2
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 description 2
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 description 2
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 description 2
- 238000009864 tensile test Methods 0.000 description 2
- 238000002604 ultrasonography Methods 0.000 description 2
- WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N (3-aminopropyl)triethoxysilane Chemical compound CCO[Si](OCC)(OCC)CCCN WYTZZXDRDKSJID-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004220 aggregation Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000002178 crystalline material Substances 0.000 description 1
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 1
- 238000004070 electrodeposition Methods 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- NKSJNEHGWDZZQF-UHFFFAOYSA-N ethenyl(trimethoxy)silane Chemical compound CO[Si](OC)(OC)C=C NKSJNEHGWDZZQF-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000011065 in-situ storage Methods 0.000 description 1
- 238000011084 recovery Methods 0.000 description 1
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 1
- 238000000926 separation method Methods 0.000 description 1
- 239000000741 silica gel Substances 0.000 description 1
- 229910002027 silica gel Inorganic materials 0.000 description 1
- -1 silver ions Chemical class 0.000 description 1
- 239000011780 sodium chloride Substances 0.000 description 1
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 1
- 238000001308 synthesis method Methods 0.000 description 1
- YUYCVXFAYWRXLS-UHFFFAOYSA-N trimethoxysilane Chemical compound CO[SiH](OC)OC YUYCVXFAYWRXLS-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
Classifications
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/80—Constructional details
- H10N30/85—Piezoelectric or electrostrictive active materials
- H10N30/852—Composite materials, e.g. having 1-3 or 2-2 type connectivity
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/01—Manufacture or treatment
- H10N30/09—Forming piezoelectric or electrostrictive materials
- H10N30/092—Forming composite materials
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
-
- H—ELECTRICITY
- H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
- H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
- H10N30/30—Piezoelectric or electrostrictive devices with mechanical input and electrical output, e.g. functioning as generators or sensors
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Composite Materials (AREA)
- Materials Engineering (AREA)
- Manufacturing & Machinery (AREA)
- Manufacture Of Porous Articles, And Recovery And Treatment Of Waste Products (AREA)
Abstract
本发明公开了一种一体化可拉伸的压电薄膜、传感器及制备方法，包括具有海绵多孔结构的弹性复合骨架以及负载于所述弹性复合骨架的孔隙中的复合压电相；其中，具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的体积百分比为5‑11%，所述复合压电相的体积百分比为89‑95%。本发明的构成组分几乎均为压电活性材料，因而复合材料中几乎无压电有效成分牺牲，可有效提升可拉伸压电薄膜的压电性能及机电耦合性能。本发明可作为可拉伸传感器的核心元件，有效地提高机械能与电能之间的转换效率。
Description
技术领域
本发明涉及压电材料技术领域，尤其涉及一种一体化可拉伸压电薄膜、可拉伸传感器及其制备方法。
背景技术
压电效应是一种材料在受到压力或张力作用下会发生电荷分离和极化现象的物理现象。根据该效应，当施加外力（应力）于某些晶体材料的特定表面方向时，这些材料会在内部产生电荷分布，从而在材料的两个相对表面上产生电场。这种电场的大小和方向取决于应力的方向和大小、材料的结构和性质。
现有的压电材料主要可分为以PZT等为代表的无机压电材料以及以PVDF等为代表的有机压电材料，二者均可将机械（声学或机械）能转换为电能，或反之。因此，压电效应在许多科技领域中被广泛应用，例如声波发生器、超声波探测器、传感器、秤、计时器和电子振荡器等。无机压电材料为刚性材料，不具有柔性和拉伸性能，具有较高的声阻抗、压电应变系数以及机电耦合系数。有机压电材料一般具有较低的声阻抗、压电应变系数以及较低的机械耦合系数，但其具有较高的柔性且依然不具有可拉伸性。因此，压电材料基本都不具有可拉伸性。
现有的柔性压电复合薄膜中无机压电相颗粒易于团聚以及无机相与有机相界面结合力相对有限；现有技术中为赋予压电材料可拉伸性能需引入大量的具有可拉伸性能的非压电活性相，此过程以牺牲较大部分有效压电活性相组分即牺牲压电性能及机电耦合性能为代价的技术问题；现有的因柔性压电薄膜的固有拉伸性能差而通过将其粘贴于可拉伸基底上或将其结构结构设计为螺旋状、弹簧状等方式赋予其可拉伸性能，然而，此类非一体化的可拉伸压电薄膜在多次拉伸后会出现与基底分离甚至脱离的现象，进而导致其可拉伸性能失效甚至压电性能失效或经过多次拉伸后螺旋状及弹簧状的机械结构的恢复能力有限，导致其最终拉伸性能受限的技术问题。
但制备可拉伸压电薄膜具有相当的重要性，因为这种薄膜可以用于制备柔性可拉伸电子元件，例如传感器、驱动器、声波振荡器等。这些可拉伸压电薄膜可以根据所需的形状拉伸或变形，从而可以与各种曲面或不规则形状的物体紧密结合。同时，可拉伸压电薄膜对于实现具有自由度和可变形性能的高性能柔性电子元件至关重要。
发明内容
针对现有技术不足以及解决上述技术问题，本发明提供了一种一体化可拉伸的压电薄膜、传感器及制备方法。
根据本发明实施例的第一方面，提供了一种一体化可拉伸的压电薄膜，包括具有海绵多孔结构的弹性复合骨架以及负载于所述弹性复合骨架的孔隙中的复合压电相；所述具有海绵多孔结构的弹性复合骨架于一体化可拉伸的压电薄膜结构中呈三维连通的结构；所述复合压电相于一体化可拉伸的压电薄膜结构中呈现三维连通的结构；其中，具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的体积百分比为5-11%，所述复合压电相的体积百分比为89-95%。
根据本发明实施例的第二方面，提供了一种一体化可拉伸的压电薄膜的制备方法，所述制备方法包括：
制备无机压电相复合颗粒，并对无机压电相复合颗粒进行表面化学修饰；
基于牺牲模板法制备具有海绵多孔结构的弹性复合骨架，使弹性复合骨架的体积孔隙率达89-95%；
将有机压电相粉末、带有官能团的导电相粉末以及表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒分散于有机分散溶剂中，超声搅拌以分散表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒，并诱导表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的表面活性结构与有机压电相分子、带有官能团的导电相均充分发生分子桥梁纠缠，得到用于填充海绵多孔结构的弹性复合骨架的三维孔隙的复合压电相的前驱体溶液；
将前驱体溶液匀胶涂覆于具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的孔隙中，经热压、固化、成型，得到一体化可拉伸的压电薄膜。
根据本发明实施例的第三方面，提供了一种可拉伸传感器，所述传感器包括一体化可拉伸的压电薄膜以及复合于所述压电薄膜两个相对表面上的可拉伸电极。
根据本发明实施例的第四方面，提供了一种可拉伸传感器在机械能与电能相互转化系统中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
（1）本发明提供的一体化可拉伸压电薄膜中的组分几乎均为复合压电相（即压电活性相），无需因赋予复合压电薄膜可拉伸性能而额外填充或复合大量的非压电活性相，本质上无需牺牲较大部分压电有效组分而换取可拉伸性能。本申请提供的一体化可拉伸压电薄膜中的具有海绵多孔结构的弹性复合骨架以及负载于所述弹性复合骨架的空孔隙中的复合压电相均具有压电性能及机电耦合性能。因而，可有效的提高可拉伸压电薄膜的机电耦合性能及压电性能，从根本上赋予复合压电薄膜优异的可拉伸性能、压电性能及机电耦合性能。
（2）本发明提供的一体化可拉伸压电薄膜通过在各有机相和无机相之间均形成较强的化学键耦合，该结合力远大于其他复合材料中的有机相与无机相之间的范德华作用力，有效的解决现有的柔性压电复合薄膜中无机压电相颗粒易于团聚以及无机相与有机相界面结合力相对有限的技术问题。提高了施加于一体化可拉伸压电薄膜中无机压电相颗粒的分散单元上的电压分布，大幅度提高在无机压电相颗粒的极化程度，进而提高一体化可拉伸压电薄膜的压电性能和机电耦合性能。
（3）本申请牺牲模板法采用易于获得、水溶性极好且无毒的食盐作为牺牲模板，过程中食盐颗粒进行球磨以得到尺度一致性较高的食盐粉末，可有效确保制备的弹性复合骨架的孔隙直径较为一致，可避免因食盐颗粒团聚等出现过大的孔隙直径。最后可通过多次高温水洗浸泡去除食盐模板，最终得到表面粗糙、具有较高孔隙率、可拉伸性、压电性能及机电耦合性能的海绵多孔结构的弹性复合骨架，方法简便易于实现，且制备的整个过程无需使用或释放任何有机溶剂，方法较为环保安全性也较高。
（4）通过引入亚微米或纳米尺度的无机粉末在海绵多孔结构的弹性复合骨架的成型的过程中形成一些亚微米级的结构，使得具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的表面具有较高的粗糙度，以充分吸附复合用于填充海绵多孔结构的弹性复合骨架的三维孔隙的复合压电相，可实现一体化效果。
（5）本发明提供的一体化可拉伸压电薄膜可作为可拉伸传感器的核心元件，可有效的提高机械能与电能之间的转换效率。该传感器可与水、人体组织液等具有很好的声阻抗匹配，同时利用自身优异的可拉伸性能使得超声传感器到待测对象表面距离具有较高的一致性，使得最终获得较为准确的探测结果。
应当理解的是，以上的一般描述和后文的细节描述仅是示例性和解释性的，并不能限制本申请。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一体化可拉伸压电薄膜的制备方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的基于牺牲模板法制备具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的流程示意图；
图3是本发明实施例提供的一种可拉伸传感器的制备方法的流程示意图；
图4是根据一示例性实施例示出的一种一体化可拉伸压电薄膜拉伸情况测试曲线；
图5是根据一示例性实施例1的一种一体化可拉伸压电薄膜与对比例1的可拉伸压电薄膜在不同拉伸次数下的归一化机电耦合系数。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。
本发明实施例提供了一种一体化可拉伸的压电薄膜，包括具有海绵多孔结构的弹性复合骨架以及负载于所述弹性复合骨架的孔隙中的复合压电相；所述具有海绵多孔结构的弹性复合骨架于一体化可拉伸的压电薄膜结构中呈三维连通的结构；所述复合压电相于一体化可拉伸的压电薄膜结构中呈现三维连通的结构；其中，具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的体积百分比为5-11%，所述复合压电相的体积百分比为89-95%。
需要说明的是，所述的具有海绵多孔结构的弹性复合骨架具有多孔、互连的海绵状的三维框架结构，且具有优异的弹性、较高的孔隙率和压电活性，较高的孔隙率和三维框架结构可负载极大量的复合压电相，提升了一体化可拉伸压电薄膜的压电性能及机电耦合性能。同时，本申请提供的一体化可拉伸压电薄膜中的组分几乎均为复合压电相（即压电活性相），复合压电相于一体化的结构中呈现三维连通的结构，无需因赋予压电薄膜可拉伸性能而额外填充或复合大量的弹性非压电活性相，本质上无需牺牲较大部分压电有效组分而换取可拉伸性能，因而，可有效的提高可拉伸压电薄膜的机电耦合性能及压电性能。
其中，具有海绵多孔结构的弹性复合骨架由质量比为20:1:60的弹性有机相、亚微米或纳米尺度的无机粉末、表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒复合而成。
进一步地，所述的具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的体积孔隙率为89-95%。
进一步地，所述弹性有机相选自PDMS、聚氨酯、有机硅胶中的一种或几种。
进一步地，所述亚微米或纳米尺度的无机粉末选自石墨烯、氧化石墨烯、MXene、碳纳米管、银纳米颗粒、铜纳米颗粒中的一种或几种。
进一步地，所述的亚微米或纳米尺度的无机粉末和表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒均以0维的方式分散于弹性有机相中。
需要说明的是，所述亚微米或纳米尺度的无机粉末在海绵多孔结构的弹性复合骨架的成型的过程中形成一些亚微米级的结构，使得具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的表面具有较高的粗糙度，以充分复合压电相，使得复合压电相能够充分填充海绵多孔结构的弹性复合骨架的三维孔隙中，实现一体化效果。
需要说明的是，所述海绵多孔结构的弹性复合骨架中的无机压电相复合颗粒均经过表面化学修饰，以作桥联作用进而改善无机压电相复合颗粒与弹性有机相之间的相容性，经过表面化学修饰的无机压电相复合颗粒的表面活性结构可与弹性有机相分子充分发生分子桥梁纠缠，即于无机压电相复合颗粒与弹性有机相之间通过修饰桥梁以化学键的形式相连接，可有效提升无机压电相复合颗粒与弹性有机相的界面结合力，该结合力远大于其他复合材料中的有机相与无机相之间的范德华作用力，且可有效改善无机压电相复合颗粒分散时的团聚问题。
其中，所述复合压电相主要由有机压电相、带有官能团结构的导电相以及表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒复合而成。其中，有机压电相的质量百分比为16.9-36.9wt%，带有官能团的导电相的质量百分比为0.1-0.5wt%，表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒的质量百分比为63-83wt%，该比例可依据性能需要调节。
进一步地，所述有机压电相可选自PVDF、P(VDF-TrFE)、PVDF-HDP中的一种或几种。
进一步地，所述带有官能团结构的导电相选自还原的氧化石墨烯、羟基或羧基化的碳纳米管中的一种或几种；所述带有官能团结构的导电相以和表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒均以0维的方式分散于复合压电相中的有机压电相中。
进一步地，带有官能团导电相与弹性复合骨架中的弹性有机相、复合压电相中的有机压电相形成氢键。具体地，带有官能团的导电相与弹性复合骨架中表面的硅氧键和甲基基团间形成氢键，可使复合压电相与弹性复合骨架复合更为坚固及充分；带有官能团的导电相与复合压电相中的有机压电相的F原子形成氢键，既可成为弹性复合骨架与复合压电相结合的有效复合的连接桥梁，又可以引导复合压电相中有机压电相的排列取向、提高结晶度，进而提高其本征压电性能及机电耦合性能，还可以降低一体化可拉伸压电薄膜的极化电压。
进一步地，所述复合压电相中表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒为导电颗粒与无机压电相复合而成的颗粒；所述无机压电相选自PZT、PMN-PT、PZN-PT中的一种或几种。
需要说明的是，该结构可在无机压电相颗粒和有机相之间建立较强的电耦合，以提高施加于一体化可拉伸压电薄膜中无机压电相颗粒的分散单元上的电压分布，以大幅度提高在无机压电相颗粒的极化程度，进而提高一体化可拉伸压电薄膜的压电性能和机电耦合性能；无机压电相复合颗粒可通过电沉积合成法、氧化还原法或原位光场还原法制备。
需要说明的是，所述复合压电相中的无机压电相复合颗粒均经过表面化学修饰，以作桥联作用进而改善无机压电相复合颗粒与有机压电相之间的相容性，经过表面化学修饰的无机压电相复合颗粒的表面活性结构可与有机压电相分子充分发生分子桥梁纠缠，即于无机压电相复合颗粒与有机压电相之间通过修饰桥梁以化学键的形式相连接，可有效提升无机压电相复合颗粒与有机压电相的界面结合力，该结合力远大于其他复合材料中的无机相与有机相之间的范德华作用力；所述复合压电相中的经过表面化学修饰的无机压电相复合颗粒的活性结构与有机压电相、带有官能团的导电相之间均发生分子桥联纠缠，通过化学键的形式相连接，可有效的避免复合材料制备过程中的团聚现象，也可以有效提高各相之间复合的结合力。
本发明实施例还提供了一种一体化可拉伸压电薄膜的制备方法，如图1所示，所述制备方法包括：
步骤S1，制备无机压电相复合颗粒，并对无机压电相复合颗粒进行表面化学修饰。
具体地，所述步骤S1包括以下子步骤：
步骤S101，将无机压电相粉末加入AgNO3水溶液中，搅拌，使分散均匀，得到无机压电相颗粒/AgNO3混合溶液；所述AgNO3水溶液的浓度为0.007-5 mol/L。
步骤S102，将水合肼溶液逐滴加入无机压电相颗粒/AgNO3混合溶液中，直至溶液由黄色完全变为灰色，在室温、氮气氛围内继续搅拌，使反应充分进行，得到含有无机压电相复合颗粒的混合溶液；
进一步地，所述的水合肼溶液：AgNO3水溶液的溶质的物质的量的比值范围选自1：（0.5-1.8）。
进一步地，所述水合肼溶液的浓度为质量分数88%的水合肼的水溶液。
步骤S103，使用离心机将制备的无机压电相复合颗粒从上述步骤S102得到的溶液中分离，使用去离子水洗涤数次，并在氮气氛围内85℃烘干，最终制备出由导电颗粒与无机压电相复合而成的无机压电相复合颗粒粉末。
步骤S104，将无机压电相复合颗粒粉末分散于1wt%的硅烷偶联剂的乙醇溶液中，磁力搅拌3h使分散均匀，且使无机压电相颗粒表面被化学修饰改性完全，而后置于干燥箱中于40℃下干燥5h，得到表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒。
进一步地，所述硅烷偶联剂选自乙烯基三甲氧基硅烷，（3-缩水甘油丙氧基）三甲氧基硅烷，3-氨丙基三乙氧基硅烷中的一种。
步骤S2，基于牺牲模板法制备具有海绵多孔结构的弹性复合骨架，使弹性复合骨架的体积孔隙率达89-95%。
具体地，如图2所示，所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S201，取食盐颗粒置于球磨机中研磨，得到较为尺度一致性较高的食盐粉末；
步骤S202，将亚微米或纳米尺度的无机粉末、上述步骤S1所得到的表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒粉末、上述步骤S201得到的尺度一致性较高的食盐粉末均匀的分散于未固化的弹性有机相中，超声剧烈搅拌2h，以驱动表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的分散，并诱导表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的表面活性结构与弹性有机相分子充分发生分子桥梁纠缠，得到第一混合溶液。弹性有机相质量：无机粉末质量：表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒质量：食盐质量=20:1:60:（160-200）。
步骤S203，将上述步骤S202得到的第一混合溶液置于玻璃培养皿中，置于干燥箱中加热固化，而后关闭干燥箱，并炉冷至室温。
步骤S204，从上述步骤S203所述的玻璃培养皿中取出制备的固体复合材料，并用砂纸去处复合材料的外层。
步骤S205，将上述步骤S204中得到的复合材料置于烧杯中，倒入去离子水，将复合材料完全浸泡，将烧杯置于热台上，热台温度设置为85℃，持续加热；
步骤S206，每隔一定时间更换去离子水，重复上述步骤S205，制备的复合材料总浸泡时间大于30小时以完全去除食盐，得到具有海绵多孔结构的弹性复合骨架。
步骤S3，将有机压电相粉末、带有官能团的导电相粉末以及表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒分散于有机分散溶剂中，超声搅拌以分散表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒，并诱导表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的表面活性结构与有机压电相分子、带有官能团的导电相充分发生分子桥梁纠缠，得到前驱体溶液。
进一步地，所述有机分散溶剂选自N,N二甲基甲酰胺(DMF)、二甲基乙酰胺(DMAc)、丙酮。
步骤S4，将前驱体溶液匀胶涂覆于具有海绵多孔结构的弹性复合骨架中，充分填充于具有三维孔隙的弹性复合骨架的孔隙，经热压、固化、成型，得到一体化可拉伸的压电薄膜。
需要说明的，上述的基于牺牲模板法的一体化可拉伸压电薄膜的制备方法采用无毒、容易获得且水溶性极好的食盐作为牺牲模板，通过对弹性有机相、亚微米或纳米尺度的无机粉末、表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒粉末和尺度一致性较高的食盐粉末的混合物复合，而后通过高温去离子水长时间浸泡及多次水洗通过使得食盐模板溶解以去除牺牲的食盐模板，整个过程中没有使用或释放任何有机溶剂，方法简洁且较为安全及环保，制备出具有海绵多孔结构的弹性复合骨架
本发明实施例还提供了一种可拉伸传感器，包括上述的一体化可拉伸的压电薄膜以及复合于所述压电薄膜两个相对表面上的可拉伸电极。
进一步地，该传感器可与水、人体组织液等具有很好的声阻抗匹配，同时利用自身优异的可拉伸性能使得超声传感器到待测对象表面距离具有较高的一致性，使得最终获得较为准确的探测结果。
本发明实施例还提供了一种可拉伸传感器的制备方法，如图3所示，包括：取一一体化可拉伸的压电薄膜，在其上下两侧分别涂覆银纳米线网络，形成三明治结构；对三明治结构施加直流电场进行极化，而后分别从电极层引出极耳，得到可拉伸换能器。
具体包括以下步骤：
（1）称取1g聚乙烯吡咯烷酮（PVP）溶解于100 mL的乙二醇中，于160℃加热搅拌1h。
（2）称取100μL，0.1 mol/L的NaCl的乙二醇溶液加入上述步骤（1）所得的溶液中，搅拌15 min。
（3）称取100 mL，0.06 mol/L的AgNO3逐滴加入上述步骤（2）所得到的混合溶液中，不断搅拌，直到溶液由黄色变为灰色，继续搅拌30 min，使其反应充分，而后冷却至室温，得到含有银纳米线的混合溶液。
（4）使用离心机将制备的银纳米线从上述步骤（3）所述的溶液中分离，使用去离子水洗涤数次，并在氮气氛围内100℃烘干，得到银纳米线颗粒粉末。
（5）将上述步骤（4）得到的银纳米线颗粒粉末均匀分散于乙醇溶液中，得到银纳米线悬浊液。
（6）将上述步骤（5）得到的悬浊液匀胶涂覆于一体化的可拉伸压电薄膜一侧，而后50℃烘干，得到交错的银纳米线结构，得到均匀的银纳米线导电网络。
（7）将PDMS两种组分以10:1的组分混合均匀，使用离心机离心，以排出气泡，将其涂覆于步骤（6）所得的银纳米线网络上，50℃固化成型得到可拉伸电极/一体化可拉伸压电薄膜结构。
（8）将上述步骤（5）得到的悬浊液匀胶涂覆于一体化的可拉伸压电薄膜的另一侧，而后50℃烘干，得到交错的银纳米线结构，得到均匀的银纳米线导电网络。
（9）将PDMS两种组分以10:1的组分混合均匀，使用离心机离心，以排出气泡，将其涂覆于步骤（8）所得的银纳米线网络上，50℃固化成型得到可拉伸电极/一体化可拉伸压电薄膜/可拉伸电极结构。
（10）将上述步骤（9）所述的可拉伸电极/一体化可拉伸压电薄膜/可拉伸电极的三明治结构施加直流电场进行极化，而后分别从电极层引出极耳，得到可拉伸换能器。
本发明实施例还提供了一种可拉伸传感器在机械能与电能互相转换中的应用。
综上，本发明通过设计并制备一种由具有海绵多孔结构的弹性复合骨架以及用于填充海绵多孔结构的弹性复合骨架的三维孔隙的复合压电相，弹性复合骨架与复合压电相复合而成的一体化可拉伸压电薄膜，从根本上赋予复合压电薄膜优异的可拉伸性能、压电性能及机电耦合性能，此过程无需以降低复合材料整体的机电耦合性能为代价引入大量的具有拉伸性能的非压电活性相。
所述具有海绵多孔结构的弹性复合骨架具有多孔、互连的海绵状的三维框架结构且具有优异的弹性、较高的孔隙率和压电活性，较高的孔隙率和三维框架结构使其可负载极大量的复合压电相以提升一体化可拉伸压电薄膜的压电性能及机电耦合性能。本发明具有海绵多孔结构的弹性复合骨架通过牺牲模板法制备。本发明中牺牲模板法采用易于获得、水溶性极好且无毒的食盐作为牺牲模板，首先通过对食盐颗粒进行球磨以得到尺度一致性较高的食盐粉末，可有效确保制备的弹性复合骨架的孔隙直径较为一致，可避免因食盐颗粒团聚等出现过大的孔隙直径。而后通过将亚微米或纳米尺度的无机粉末、表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒粉末和尺度一致性较高的食盐粉末均匀的分散于弹性有机相中复合而成，而后通过多次高温水洗浸泡去除食盐模板，最终得到表面粗糙、具有较高孔隙率、可拉伸性、压电性能及机电耦合性能的海绵多孔结构的弹性复合骨架，方法简便易于实现，且制备的整个过程无需使用或释放任何有机溶剂，方法较为环保安全性也较高。其中，所述的亚微米或纳米尺度的无机粉末在海绵多孔结构的弹性复合骨架的成型的过程中形成一些亚微米级的结构，使得具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的表面具有较高的粗糙度，以充分吸附复合用于填充海绵多孔结构的弹性复合骨架的三维孔隙的复合压电相，实现一体化效果。所述的海绵多孔结构的弹性复合骨架中的无机压电相复合颗粒均经过表面化学修饰，以作桥联作用进而改善无机压电相复合颗粒与弹性有机相之间的相容性，经过表面化学修饰的无机压电相复合颗粒的表面活性结构可与弹性有机相分子充分发生分子桥梁纠缠，即于无机压电相复合颗粒与弹性有机相之间通过修饰桥梁以化学键的形式相连接，可有效提升无机压电相复合颗粒与弹性有机相的界面结合力，该结合力远大于其他复合材料中的有机相与无机相之间的范德华作用力。
所述用于填充海绵多孔结构的弹性复合骨架的三维孔隙的复合压电相主要由有机压电相、带有官能团结构的导电相以及表面化学修饰的无机压电相复合颗粒复合而成。所述复合压电相中带有官能团结构的导电相以和表面化学修饰的无机压电相复合颗粒均以0维的方式分散于复合压电相的有机压电相中。所述的带有官能团导电相可与具有海绵多孔结构的弹性复合骨架中的弹性有机相及复合压电相中的有机压电相形成氢键。其中，带有官能团的导电相与具有海绵多孔结构的弹性复合骨架中表面的硅氧键和甲基基团间形成氢键，可使复合压电相与弹性复合骨架复合更为坚固及充分；带有官能团的导电相与复合压电相中的有机压电相的F原子形成氢键，既可成为弹性复合骨架与复合压电相结合的有效复合的连接桥梁，又可以引导复合压电相中有机压电相的排列取向、提高结晶度，进而提高其本征压电性能及机电耦合性能，还可以降低一体化可拉伸压电薄膜的极化电压。所述的无机压电相复合颗粒为导电颗粒与无机压电相复合而成的颗粒，该结构可在无机压电相颗粒和有机相之间建立较强的电耦合，以提高施加于一体化可拉伸压电薄膜中无机压电相颗粒的分散单元上的电压分布，以大幅度提高在无机压电相颗粒的极化程度，进而提高一体化可拉伸压电薄膜的压电性能和机电耦合性能。所述的用于填充海绵多孔结构的弹性复合骨架的三维孔隙的复合压电相中的无机压电相复合颗粒均经过表面化学修饰，以作桥联作用进而改善无机压电相复合颗粒与有机压电相之间的相容性，经过表面化学修饰的无机压电相复合颗粒的表面活性结构可与有机压电相分子充分发生分子桥梁纠缠，即于无机压电相复合颗粒与有机压电相之间通过修饰桥梁以化学键的形式相连接，可有效提升无机压电相复合颗粒与有机压电相的界面结合力，该结合力远大于其他复合材料中的无机相与有机相之间的范德华作用力。
本发明提供的一体化可拉伸压电薄膜的制备方法中，具有海绵多孔结构的弹性复合骨架通过牺牲模板法来设计并制备；所述牺牲模板法中采用无毒、容易获得且水溶性极好的食盐作为牺牲模板，通过对弹性有机相、亚微米或纳米尺度的无机粉末、表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒粉末和尺度一致性较高的食盐粉末的混合物复合，而后通过高温去离子水长时间浸泡及多次水洗通过使得食盐模板溶解以去除牺牲的食盐模板，整个过程中没有使用或释放任何有机溶剂，方法简洁且较为安全及环保，制备出具有海绵多孔结构的弹性复合骨架；所述的具有海绵多孔结构的弹性复合骨架有机压电骨架由有机压电弹性有机相、亚微米或纳米尺度的无机粉末、表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒复合而成，且弹性复合骨架中弹性有机相质量：亚微米或纳米尺度的无机粉末质量：表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒质量=20:1:60；所述的亚微米或纳米尺度的无机粉末和表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒均以0维的方式分散于弹性有机相中；所述的亚微米或纳米尺度的无机粉末在海绵多孔结构的弹性复合骨架的成型的过程中形成一些亚微米级的结构，使得具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的表面具有较高的粗糙度，以充分复合用于填充海绵多孔结构的弹性复合骨架的三维孔隙的复合压电相，实现一体化效果；所述的海绵多孔结构的弹性复合骨架中的无机压电相复合颗粒均经过表面化学修饰，以作桥联作用进而改善无机压电相复合颗粒与弹性有机相之间的相容性，经过表面化学修饰的无机压电相复合颗粒的表面活性结构可与弹性有机相分子充分发生分子桥梁纠缠，即于无机压电相复合颗粒与弹性有机相之间通过修饰桥梁以化学键的形式相连接，可有效提升无机压电相复合颗粒与弹性有机相的界面结合力，该结合力远大于其他复合材料中的有机相与无机相之间的范德华作用力，且可有效改善无机压电相复合颗粒分散时的团聚问题。
所述的用于填充海绵多孔结构的弹性复合骨架的三维孔隙的复合压电相主要由有机压电相、带有官能团结构的导电相以及表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒复合而成；所述的复合压电相中带有官能团结构的导电相以和表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒均以0维的方式分散于复合压电相的有机压电相中；所述的无机压电相复合颗粒为导电颗粒与无机压电相复合而成的颗粒；所述的带有官能团导电相可与具有海绵多孔结构的弹性复合骨架及复合压电相中的有机压电相形成氢键。所述的用于填充海绵多孔结构的弹性复合骨架的三维孔隙的复合压电相中的无机压电相复合颗粒均经过表面化学修饰，以作桥联作用进而改善无机压电相复合颗粒与有机压电相之间的相容性，经过表面化学修饰的无机压电相复合颗粒的表面活性结构可与有机压电相分子充分发生分子桥梁纠缠，即于无机压电相复合颗粒与有机压电相之间通过修饰桥梁以化学键的形式相连接，可有效提升无机压电相复合颗粒与有机压电相的界面结合力，该结合力远大于其他复合材料中的无机相与有机相之间的范德华作用力，且可有效改善无机压电相复合颗粒分散时的团聚问题。
进一步地，所述的表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒可在无机压电相颗粒和有机相之间建立较强的电耦合，以提高施加于一体化可拉伸压电薄膜中无机压电相颗粒的分散单元上的电压分布，以大幅度提高在无机压电相颗粒的极化程度，进而提高一体化可拉伸压电薄膜的压电性能和机电耦合性能。
进一步地，所述的表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒与有机压电相之间形成较强的化学键耦合，可有效提高有机相与无机相间的界面结合能力，亦可有效避免无机压电相的团聚现象。
进一步地，所述的表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒与弹性有机相之间形成较强的化学键耦合，可有效提高有机相与无机相间的界面结合能力，亦可有效避免无机压电相复合颗粒的团聚现象。
实施例1：
本实施例1提供的一种一体化可拉伸压电薄膜的制备方法，包括：
步骤S1，制备无机压电相复合颗粒，并对无机压电相复合颗粒进行表面化学修饰。
具体地，所述步骤S1具体包括以下步骤：
步骤S101，将无机压电相粉末PZT加入3mol/L的AgNO3水溶液中，搅拌，使分散均匀，得到无机压电相PZT/AgNO3混合溶液。
步骤S102，将浓度质量分数为88%的水合肼溶液逐滴加入上述步骤S101所得到的无机压电相PZT/AgNO3混合溶液中，直至溶液由黄色完全变为灰色，最终加入的水合肼溶质：银离子的物质的量比值为1.5:1，在室温、氮气氛围内继续搅拌50 min，使反应充分进行，得到含有无机压电相复合颗粒的混合溶液。
步骤S103，使用离心机将制备的无机压电相复合颗粒从上述步骤S102所述的溶液中分离，使用去离子水洗涤数次，并在氮气氛围内85℃烘干，最终制备出由导电颗粒银颗粒与无机压电相PZT复合而成的无机压电相复合颗粒粉末，最终的无机压电相复合颗粒中银颗粒与无机压电相PZT的质量比为0.8:99.2。
步骤S104，将上述步骤S103得到的无机压电相复合颗粒粉末分散于1wt%的硅烷偶联剂的乙醇溶液中，磁力搅拌3h使分散均匀，且使无机压电相颗粒表面被化学修饰改性完全，而后置于干燥箱中于40℃下干燥5h，得到表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒。
步骤S2，基于牺牲模板法制备具有海绵多孔结构的弹性复合骨架，使弹性复合骨架的体积孔隙率达89-95%。
具体地，所述步骤S2包括以下子步骤：
步骤S201，取食盐颗粒置于球磨机中研磨，球磨速度为335转/min，球磨时间为12h，得到较为尺度一致性较高的食盐粉末。
步骤S202，将亚微米或纳米尺度的氧化石墨烯粉末、表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒粉末、尺度一致性较高的食盐粉末均匀的分散于未固化的弹性有机相PDMS中，超声剧烈搅拌2h，以驱动表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的分散，并诱导表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的表面活性结构与弹性有机相分子充分发生分子桥梁纠缠；最终各组分占比为PDMS质量：亚微米或纳米尺度的氧化石墨烯粉末质量：表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒质量：食盐质量=20:1:60:160。
步骤S203，将上述步骤S202得到的混合溶液置于玻璃培养皿中，置于干燥箱中高温加热一段时间，加热温度为100℃，加热时间为60min，而后关闭干燥箱，并炉冷至室温。
步骤S204，从上述步骤S203所述的玻璃培养皿中取出制备的固体复合材料，并用砂纸去除复合材料的外层。
步骤S205，将上述步骤S204中得到的复合材料置于烧杯中，倒入去离子水，将复合材料完全浸泡，将烧杯置于热台上，热台温度设置为85℃，持续加热。
步骤S206，每隔一定时间更换去离子水，重复上述步骤S205，制备的复合材料总浸泡时间大于30小时以完全去除食盐，得到具有海绵多孔结构的弹性复合骨架。弹性有机相、亚微米或纳米尺度的氧化石墨烯和表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的质量比为20:1:60。
步骤S3，将有机压电相P(VDF-TrFE)粉末、羟基或羧基化的碳纳米管粉末以及表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒分散于DMF有机分散溶剂中，超声搅拌2h以分散表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒，并诱导表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的表面活性结构与有机压电相分子充分发生分子桥梁纠缠，得到前驱体溶液。最终得到的复合压电相前驱体溶液中各溶质组分占比为有机压电相P(VDF-TrFE)粉末的质量百分比为16.9wt%，羟基或羧基化的碳纳米管粉末的质量百分比为0.1wt%，表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的质量百分比为83wt%。
步骤S4，将前驱体溶液匀胶涂覆于具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的孔隙中，经热压、固化、成型，得到一体化可拉伸的压电薄膜。
所述的一体化可拉伸压电薄膜中具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的体积百分比为11%，所述的用于填充海绵多孔结构的弹性复合骨架的三维孔隙的复合压电相的体积百分比为89%，该实施例得到的一体化可拉伸压电薄膜中的弹性拉伸极限为拉伸后总长度为原长的1.95倍。图4示出了该一种一体化可拉伸压电薄膜拉伸情况测试曲线。
实施例2：
本实施例2提供的一种一体化可拉伸压电薄膜的制备方法，包括：
步骤S1，制备无机压电相复合颗粒，并对无机压电相复合颗粒进行表面化学修饰。
本实施例2中步骤S1的子步骤与实施例1中步骤S1的子步骤相同，此处不再赘述。
步骤S2，基于牺牲模板法制备具有海绵多孔结构的弹性复合骨架，使弹性复合骨架的体积孔隙率达89-95%。
本实施例2中步骤S2的子步骤与实施例1中步骤S2的子步骤相同，此处不再赘述。
其中，PDMS质量：亚微米或纳米尺度的氧化石墨烯粉末质量：表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒质量：食盐质量=20:1:60:200。
步骤S3，将有机压电相P(VDF-TrFE)粉末、羟基或羧基化的碳纳米管粉末以及表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒分散于DMF有机分散溶剂中，超声搅拌2h以分散表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒，并诱导表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的表面活性结构与有机压电相分子充分发生分子桥梁纠缠，得到前驱体溶液。
最终得到的复合压电相前驱体溶液中各溶质组分占比为有机压电相P(VDF-TrFE)粉末的质量百分比为36.5wt%，羟基或羧基化的碳纳米管粉末的质量百分比为0.5wt%，表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的质量百分比为63wt%。
步骤S4，将前驱体溶液匀胶涂覆于具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的孔隙中，经热压、固化、成型，得到一体化可拉伸的压电薄膜。
所述的一体化可拉伸压电薄膜中具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的体积百分比为5%，所述的用于填充海绵多孔结构的弹性复合骨架的三维孔隙的复合压电相的体积百分比为95%，该实施例得到的一体化可拉伸压电薄膜中的弹性拉伸极限为拉伸后总长度为原长的1.7倍。
实施例3：
本实施例3提供的一种一体化可拉伸压电薄膜的制备方法，包括：
步骤S1，制备无机压电相复合颗粒，并对无机压电相复合颗粒进行表面化学修饰。
本实施例3中步骤S1的子步骤与实施例1中步骤S1的子步骤相同，此处不再赘述。
步骤S2，基于牺牲模板法制备具有海绵多孔结构的弹性复合骨架，使弹性复合骨架的体积孔隙率达89-95%。
本实施例3中步骤S2的子步骤与实施例1中步骤S2的子步骤相同，此处不再赘述。
最终各组分占比为PDMS质量：亚微米或纳米尺度的氧化石墨烯粉末质量：表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒质量：食盐质量=20:1:60:200。
步骤S3，将有机压电相P(VDF-TrFE)粉末、羟基或羧基化的碳纳米管粉末以及表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒分散于DMF有机分散溶剂中，超声搅拌2h以分散表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒，并诱导表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的表面活性结构与有机压电相分子充分发生分子桥梁纠缠，得到前驱体溶液。
最终得到的复合压电相前驱体溶液中各溶质组分占比为有机压电相P(VDF-TrFE)粉末的质量百分比为36.9wt%，羟基或羧基化的碳纳米管粉末的质量百分比为0.1wt%，表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的质量百分比为63wt%。
步骤S4，将前驱体溶液匀胶涂覆于具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的孔隙中，经热压、固化、成型，得到一体化可拉伸的压电薄膜。
所述的一体化可拉伸压电薄膜中具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的体积百分比为5%，所述的用于填充海绵多孔结构的弹性复合骨架的三维孔隙的复合压电相的体积百分比为95%，该实施例得到的一体化可拉伸压电薄膜中的弹性拉伸极限为拉伸后总长度为原长的1.7倍。
实施例4：
本实施例4提供的一种一体化可拉伸压电薄膜的制备方法，包括：
步骤S1，制备无机压电相复合颗粒，并对无机压电相复合颗粒进行表面化学修饰。
本实施例4中步骤S1的子步骤与实施例1中步骤S1的子步骤相同，此处不再赘述。
步骤S2，基于牺牲模板法制备具有海绵多孔结构的弹性复合骨架，使弹性复合骨架的体积孔隙率达89-95%。
本实施例4中步骤S2的子步骤与实施例1中步骤S2的子步骤相同，此处不再赘述。
最终各组分占比为PDMS质量：亚微米或纳米尺度的氧化石墨烯粉末质量：表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒质量：食盐质量=20:1:60:200。
步骤S3，将有机压电相P(VDF-TrFE)粉末、羟基或羧基化的碳纳米管粉末以及表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒分散于DMF有机分散溶剂中，超声搅拌2h以分散表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒，并诱导表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的表面活性结构与有机压电相分子充分发生分子桥梁纠缠，得到前驱体溶液。
最终得到的复合压电相前驱体溶液中各溶质组分占比为有机压电相P(VDF-TrFE)粉末的质量百分比为25wt%，羟基或羧基化的碳纳米管粉末的质量百分比为0.3wt%，表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的质量百分比为74.7wt%。
步骤S4，将前驱体溶液匀胶涂覆于具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的孔隙中，经热压、固化、成型，得到一体化可拉伸的压电薄膜。
所述的一体化可拉伸压电薄膜中具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的体积百分比为5%，所述的用于填充海绵多孔结构的弹性复合骨架的三维孔隙的复合压电相的体积百分比为95%，该实施例得到的一体化可拉伸压电薄膜中的弹性拉伸极限为拉伸后总长度为原长的1.65倍。
对比例1：
（1）将PZT无机压电相颗粒分散于未固化的PDMS溶液中，搅拌均匀；
（2）将上述步骤（1）所得的混合溶液匀胶旋涂于玻璃基底上，热压、固化、成型，得到可拉伸的压电薄膜，其中PZT无机压电相颗粒在可拉伸压电薄膜中的质量分数为50%，PDMS在可拉伸压电薄膜中的质量分数为50%。
为了更好的说明本申请的一体化的可拉伸压电薄膜具有优异的拉伸性能和机电耦合性能，本发明对实施例1和对比例1在拉伸率为1.9时（即拉伸率=拉伸长度/原始长度，拉伸长度=拉伸后总长度-原始长度），进行了不同拉伸次数的情况下二者的机电耦合系数的对比测试，测试结果如图5所示。图5中具体提供了实施例1与对比例1的可拉伸压电薄膜在不同拉伸次数时的归一化机电耦合系数（归一化机电耦合系数是指各实施例与对比例1的机电耦合系数的比值），其中A、B分别代表对比例1和实施例1。可以看出实施例1和对比例1在经过100次拉伸后均依然保持较高的机电耦合系数，但是实施例1的机电耦合系数几乎均为对比例1的机电耦合系数的6倍。
应当理解的是，本申请并不局限于上面已经描述并在附图中示出的精确结构，并且可以在不脱离其范围进行各种修改和改变。本申请的范围仅由所附的权利要求来限制。
Claims (10)
1.一种一体化可拉伸的压电薄膜，其特征在于，包括具有海绵多孔结构的弹性复合骨架以及负载于所述弹性复合骨架的孔隙中的复合压电相；所述具有海绵多孔结构的弹性复合骨架于一体化可拉伸的压电薄膜结构中呈三维连通的结构；所述复合压电相于一体化可拉伸的压电薄膜结构中呈现三维连通的结构；其中，具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的体积百分比为5-11%，所述复合压电相的体积百分比为89-95%。
2.根据权利要求1所述的一体化可拉伸的压电薄膜，其特征在于，具有海绵多孔结构的弹性复合骨架由质量比为20:1:60的弹性有机相、亚微米或纳米尺度的无机粉末、表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒复合而成；所述复合压电相由有机压电相、带有官能团结构的导电相、表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒复合而成；其中，有机压电相的质量百分比为16.9-36.9wt%，带有官能团的导电相的质量百分比为0.1-0.5wt%，表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒的质量百分比为63-83wt%。
3.根据权利要求2所述的一体化可拉伸的压电薄膜，其特征在于，所述海绵多孔结构的弹性复合骨架中的弹性有机相、无机粉末、表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒与所述复合压电相中的有机压电相、带有官能团结构的导电相、表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒均通过化学键两两连接。
4.根据权利要求2所述的一体化可拉伸的压电薄膜，其特征在于，所述弹性有机相选自PDMS、聚氨酯、有机硅胶中的一种或几种；
所述亚微米或纳米尺度的无机粉末选自石墨烯、氧化石墨烯、MXene、碳纳米管、银纳米颗粒、铜纳米颗粒中的一种或几种；
所述有机压电相可选自PVDF、P(VDF-TrFE)、PVDF-HDP中的一种或几种；
所述带有官能团结构的导电相选自还原的氧化石墨烯、羟基或羧基化的碳纳米管中的一种或几种；
所述表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒为导电颗粒与无机压电相复合而成的颗粒；
所述无机压电相选自PZT、PMN-PT、PZN-PT中的一种或几种。
5.根据权利要求2所述的一体化可拉伸的压电薄膜，其特征在于，所述的亚微米或纳米尺度的无机粉末和表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒均以0维的方式分散于弹性有机相中；
所述带有官能团结构的导电相以和表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒均以0维的方式分散于有机压电相中。
6.一种权利要求1-5任一项所述的一体化可拉伸的压电薄膜的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
制备无机压电相复合颗粒，并对无机压电相复合颗粒进行表面化学修饰；
基于牺牲模板法制备具有海绵多孔结构的弹性复合骨架，使弹性复合骨架的体积孔隙率达89-95%；
将有机压电相粉末、带有官能团的导电相粉末以及表面化学修饰后的无机压电相复合颗粒分散于有机分散溶剂中，超声搅拌以分散表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒，并诱导表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的表面活性结构与有机压电相分子、带有官能团的导电相均充分发生分子桥梁纠缠，得到用于填充海绵多孔结构的弹性复合骨架的三维孔隙的复合压电相的前驱体溶液；
将前驱体溶液匀胶涂覆于具有海绵多孔结构的弹性复合骨架的孔隙中，经热压、固化、成型，得到一体化可拉伸的压电薄膜。
7.根据权利要求6所述的一体化可拉伸的压电薄膜的制备方法，其特征在于，所述有机分散溶剂选自N,N二甲基甲酰胺、二甲基乙酰胺或丙酮。
8.根据权利要求6所述的一体化可拉伸的压电薄膜的制备方法，其特征在于，基于牺牲模板法制备具有海绵多孔结构的弹性复合骨架，包括：
将食盐颗粒研磨成食盐粉末；
将亚微米或纳米尺度的无机粉末、表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒粉末、食盐粉末均匀分散于未固化的弹性有机相中，超声搅拌以分散表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒，并诱导表面化学修饰过的无机压电相复合颗粒的表面活性结构与弹性有机相分子充分发生分子桥梁纠缠，得到第一混合溶液；
通过干燥箱加热固化第一溶液，得到固体复合材料；通过砂纸去除固体复合材料的外层，并通过去离子水浸泡固体复合材料，完全去除食盐，得到具有海绵多孔结构的弹性复合骨架。
9.一种可拉伸传感器，其特征在于，所述传感器包括如权利要求1-5任一项所述的一体化可拉伸的压电薄膜以及复合于所述压电薄膜两个相对表面上的可拉伸电极。
10.一种权利要求9所述的可拉伸传感器在机械能与电能相互转化系统中的应用。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311284332.2A CN117015294B (zh) | 2023-10-07 | 2023-10-07 | 一种一体化可拉伸的压电薄膜、传感器及制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202311284332.2A CN117015294B (zh) | 2023-10-07 | 2023-10-07 | 一种一体化可拉伸的压电薄膜、传感器及制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117015294A true CN117015294A (zh) | 2023-11-07 |
| CN117015294B CN117015294B (zh) | 2024-02-13 |
Family
ID=88567634
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311284332.2A Active CN117015294B (zh) | 2023-10-07 | 2023-10-07 | 一种一体化可拉伸的压电薄膜、传感器及制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117015294B (zh) |
Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140333184A1 (en) * | 2013-05-10 | 2014-11-13 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Nanoporous piezoelectric polymer films for mechanical energy harvesting |
| WO2016077560A1 (en) * | 2014-11-12 | 2016-05-19 | The Trustees Of Dartmouth College | Porous piezoelectric material with dense surface, and associated methods and devices |
| US20160181506A1 (en) * | 2014-12-18 | 2016-06-23 | The Regents Of The University Of California | Piezoelectric nanoparticle-polymer composite structure |
| US20180040806A1 (en) * | 2016-08-05 | 2018-02-08 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Flexible compact nanogenerators based on mechanoradical-forming porous polymer films |
| CN109520646A (zh) * | 2018-11-27 | 2019-03-26 | 安徽大学 | 基于三维多孔微结构复合介质层的高灵敏度电容式柔性触觉传感器及其制作方法 |
| US20200168788A1 (en) * | 2018-11-26 | 2020-05-28 | Nano And Advanced Materials Institute Limited | Flexible electric generator for generating electric power |
| US20220006003A1 (en) * | 2020-07-06 | 2022-01-06 | City University Of Hong Kong | Flexible Piezoceramic Composites and Method for Fabricating Thereof |
| KR20220083465A (ko) * | 2020-12-11 | 2022-06-20 | 전남대학교산학협력단 | 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 제조방법 및 이를 이용한 압전 응용제품 |
| CN115612167A (zh) * | 2022-09-27 | 2023-01-17 | 电子科技大学 | 一种用于pdms基柔性压力传感器的复合材料 |
| CN115975253A (zh) * | 2023-03-22 | 2023-04-18 | 之江实验室 | 可拉伸压电薄膜和超声换能器 |
| CN115991937A (zh) * | 2023-03-23 | 2023-04-21 | 之江实验室 | 可拉伸压电薄膜及其制备方法、可拉伸超声换能器 |
| CN116023705A (zh) * | 2023-03-22 | 2023-04-28 | 之江实验室 | 透明压电薄膜、超声换能器及其制备方法 |
| CN116327144A (zh) * | 2023-03-30 | 2023-06-27 | 同济大学 | 一种可拉伸、可呼吸的电子纹身传感器及其制备方法 |
-
2023
- 2023-10-07 CN CN202311284332.2A patent/CN117015294B/zh active Active
Patent Citations (13)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20140333184A1 (en) * | 2013-05-10 | 2014-11-13 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Nanoporous piezoelectric polymer films for mechanical energy harvesting |
| WO2016077560A1 (en) * | 2014-11-12 | 2016-05-19 | The Trustees Of Dartmouth College | Porous piezoelectric material with dense surface, and associated methods and devices |
| US20160181506A1 (en) * | 2014-12-18 | 2016-06-23 | The Regents Of The University Of California | Piezoelectric nanoparticle-polymer composite structure |
| US20180040806A1 (en) * | 2016-08-05 | 2018-02-08 | Wisconsin Alumni Research Foundation | Flexible compact nanogenerators based on mechanoradical-forming porous polymer films |
| US20200168788A1 (en) * | 2018-11-26 | 2020-05-28 | Nano And Advanced Materials Institute Limited | Flexible electric generator for generating electric power |
| CN109520646A (zh) * | 2018-11-27 | 2019-03-26 | 安徽大学 | 基于三维多孔微结构复合介质层的高灵敏度电容式柔性触觉传感器及其制作方法 |
| US20220006003A1 (en) * | 2020-07-06 | 2022-01-06 | City University Of Hong Kong | Flexible Piezoceramic Composites and Method for Fabricating Thereof |
| KR20220083465A (ko) * | 2020-12-11 | 2022-06-20 | 전남대학교산학협력단 | 압전 유-무기 하이브리드 나노입자 제조방법 및 이를 이용한 압전 응용제품 |
| CN115612167A (zh) * | 2022-09-27 | 2023-01-17 | 电子科技大学 | 一种用于pdms基柔性压力传感器的复合材料 |
| CN115975253A (zh) * | 2023-03-22 | 2023-04-18 | 之江实验室 | 可拉伸压电薄膜和超声换能器 |
| CN116023705A (zh) * | 2023-03-22 | 2023-04-28 | 之江实验室 | 透明压电薄膜、超声换能器及其制备方法 |
| CN115991937A (zh) * | 2023-03-23 | 2023-04-21 | 之江实验室 | 可拉伸压电薄膜及其制备方法、可拉伸超声换能器 |
| CN116327144A (zh) * | 2023-03-30 | 2023-06-27 | 同济大学 | 一种可拉伸、可呼吸的电子纹身传感器及其制备方法 |
Non-Patent Citations (3)
| Title |
|---|
| ANDREIA DOS SANTOS等: ""Transduction Mechanisms, Micro-Structuring Techniques, and Applications of Electronic Skin Pressure Sensors: A Review of Recent Advances"", 《SESNORS》, vol. 20, pages 1 - 52 * |
| MENG-YANG LIU等: ""Advance on flexible pressure sensors based on metal and carbonaceous nanomaterial"", 《NANO ENERGY？, vol. 87, pages 1 - 21 * |
| NINGYU YUAN等: ""A wearable and sensitive carbon black-porous polydimethylsiloxane based pressure sensor for human physiological signals monitoring"", 《J MATER SCI: MATER ELECTRON》, vol. 32, pages 27656 - 27665, XP037608084, DOI: 10.1007/s10854-021-07143-3 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN117015294B (zh) | 2024-02-13 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kim et al. | Increased piezoelectric response in functional nanocomposites through multiwall carbon nanotube interface and fused-deposition modeling three-dimensional printing | |
| CN105949512B (zh) | 插层组装氮化硼-石墨烯复合材料、应用及其制备方法 | |
| CN109461577B (zh) | 一种介电储能复合材料的制备方法及应用 | |
| CN115991937B (zh) | 可拉伸压电薄膜及其制备方法、可拉伸超声换能器 | |
| US8253300B2 (en) | Electrostrictive composite and method for making the same | |
| WO2016008187A1 (zh) | 导电胶的制备方法及导电胶 | |
| Kim et al. | 3D printing of polyvinylidene fluoride/photopolymer resin blends for piezoelectric pressure sensing application using the stereolithography technique | |
| CN115975253B (zh) | 可拉伸压电薄膜和超声换能器 | |
| CN110137337B (zh) | 一种柔性压力传感器及其制备方法 | |
| CN113720254A (zh) | 一种强度线型双响应的柔性应变传感器及其制备方法 | |
| CN112924060B (zh) | 一种柔性压力传感器及其制备方法 | |
| JP2777976B2 (ja) | 圧電セラミックス−高分子複合材料及びその製造方法 | |
| CN116023705B (zh) | 透明压电薄膜、超声换能器及其制备方法 | |
| CN111735382B (zh) | 一种纤维状Ti3C2 MXene基扭转角度传感器及其制备方法 | |
| CN110690342A (zh) | 一种基于碳包覆钛酸钡/pvdf的柔性压电能量转化器件 | |
| CN114316685A (zh) | 一种墨水直写3d打印pedot:pss复合水凝胶及其制备方法 | |
| CN117015294B (zh) | 一种一体化可拉伸的压电薄膜、传感器及制备方法 | |
| Park et al. | Mechanical and thermal behavior of ionic polymer–metal composites: effects of electroded metals | |
| Sharma et al. | Recent progress on polyvinylidene difluoride-based nanocomposites: applications in energy harvesting and sensing | |
| Wu et al. | Effect of surface modification of ferroelectric ceramic component on the properties of PZT-type/epoxy piezoelectric composite with spiral structure | |
| CN112724560A (zh) | 一种用于道路表面发电的压电薄膜及制备方法 | |
| CN108891108B (zh) | 一种高驱动应变的电致驱动弹性体及其制备方法 | |
| CN112646215A (zh) | 一种基于PVDF-TrFE的压电薄膜的制备方法 | |
| Guo et al. | Hybrids perfluorosulfonic acid ionomer and silicon oxide membrane for application in ion-exchange polymer-metal composite actuators | |
| CN117042582B (zh) | 一种自支撑可拉伸压电薄膜、超声传感器及其制备方法 |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |