可延展压电薄膜基底结构界面脱粘的预测与调控

调控薄膜基底结构的表面不稳定性已被成功应用于制备可延展的新型电子设备中。然而,该类电子器件在工作中需要承受外部载荷作用,致使薄膜-基底结构界面处残余应力集中,容易诱发薄膜电子器件与基底脱粘与分层。该文将从理论分析和数值仿真角度,研究压电薄膜在柔性基底表面上的失稳特性。由于压电薄膜变形具有大位移小应变的特点,该文基于非线性Euler-Bernoulli梁理论与能量最小化原理,建立压电薄膜基底结构无屈曲、褶皱、局部屈曲及全脱层屈曲模式的理论分析模型;从能量角度定量分析了薄膜-基底结构4种模式相互演变的临界条件;通过数值仿真,验证了该文解析结的有效性,定量、定性的讨论了薄膜基底结构的材料、几何参数对4种模式演变的影响。研究结果表明:改变基底弹性模量、预应变、物理场强度和界面粘附系数能够调控压电薄膜基底结构的屈曲模式;通过调控温度变化量和电压的方式,能够实现对压电薄膜基底结构的失稳特性精细化调控。该文的研究结果将为提升薄膜基底型的电子器件的稳定性及优化设计提供理论支持。

新型柔性压电薄膜在管道泄漏检测中的应用

针对传统固体压电陶瓷式压电探头安装结构复杂、响应频率范围窄、对于复杂曲面不适应等缺点导致的在管道泄漏检测中灵敏度不高、检测范围较近等问题,提出一种采用新型柔性压电薄膜作为声发射传感器的管道泄漏检测方法。首先,将偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物P(VDF-TrFE)高分子柔性压电薄膜与传统压电陶瓷式、空气耦合式3种传感器布置于管道表面;然后,采用软硬件结合的方式采集不同状态下的管道壁面信号;最后,通过FFT等时频域信号处理算法对采集信号进行分析处理,通过时域和频域波形特征判断管道泄漏状态。实验结果表明:在泄漏信号响应方面,新型P(VDF-TrFE)柔性压电薄膜相比传统压电陶瓷式传感器表现出了更高的灵敏度和更大的响应值,能够检测出更小的泄漏,且该类型传感器受安装以及位置角度的限制较小;随着泄漏源距离的增加,P(VDF-TrFE)柔性压电传感器的衰减程度较压电陶瓷和空气耦合式传感器低,能够检测出更远距离的泄漏;P(VDF-TrFE)柔性压电传感器能够作为一种新型的声发射传感器应用于地埋管道泄漏等复杂结构损伤失效检测中,具有重要的研究意义和应用价值。

pBT PVDF压电薄膜的制备及其应用

为解决钛酸钡(BT)纳米颗粒在聚偏氟乙烯(PVDF)基体内部团聚问题,采用聚多巴胺(PDA)对BT纳米颗粒进行表面改性,制备具有核壳结构的聚多巴胺钛酸钡(pBT)纳米颗粒,并与PVDF复合,通过静电纺丝法制备pBT PVDF复合压电薄膜;采用FT-IR、SEM和XRD等表征pBT纳米颗粒和pBT PVDF复合压电薄膜的结构和形貌,并测试pBT PVDF复合压电薄膜的压电常数;将pBT PVDF复合压电薄膜组装成三明治结构的压电纳米发电机,测定pBT PVDF压电纳米发电机的输出电压。结果表明:经PDA改性后,pBT纳米颗粒在PVDF基体内部的团聚得到明显改善,当pBT纳米颗粒的质量分数为3%时,pBT PVDF复合压电薄膜的压电常数从改性前的(13±3)pc N增加到(20±3)pc N。pBT PVDF压电纳米发电机的输出电压从改性前的1.0 V提升到1.2 V。研究结果可为解决BT纳米颗粒在PVDF中的分散性问题提供了一种简便方法。

组合式自解耦压电薄膜三维力传感器研制

针对传统三维力传感器存在的非线性误差、维间耦合误差过大等瓶颈问题,面向重载、高频、强冲击三维力的测量需求,基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜,结合并联分载原理,创新性的利用冲击力产生的倾覆力矩,设计了立柱菱形布局的压电薄膜三维力传感器结构,立柱菱形布局时具有抵消维间耦合能力,每个立柱近似只受单个倾覆力矩的影响,故可进行组合测量。探究了PVDF压电薄膜的最优布置,采用理论分析、有限元仿真分析和实验验证相结合的方法,对传感器设计方案的可行性进行了验证。研制了组合式自解耦压电薄膜三维力传感器样机,分别对其进行准静态标定实验和动态标定实验,实验结果表明,改进后传感器具有高灵敏度、高固有频率等特点,3个方向非线性误差均小于0.2%,维间耦合误差在1.2%以内,其结构设计具备抵消维间耦合的能力。该三维力传感器在高精密轴承钢球冷镦成型及瞬态强冲击等场景下有着重要的应用价值及潜力。

聚偏氟乙烯压电薄膜制备方法研究进展

聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜在可穿戴器件、能量收集和工业无损检测等领域有着广泛应用。PVDF是一种多晶型的高分子,具有压电活性的β晶型控制是制备高性能压电薄膜的关键,因此研究人员一直在寻找各种高效、安全的方法控制材料内部结构制备高性能PVDF压电薄膜。本文从前驱体薄膜制备、拉伸处理和极化激活压电性等方面,综述了近年来PVDF压电薄膜制备方法取得的新进展,分析表明现阶段PVDF压电薄膜的制备发展总体方向是探索更加高效、简便的薄膜制备流程、提升压电性能以及拓展更高温度应用范围。

基于压电薄膜的一体式冲击波测试系统

冲击波压力测试在弹药试验和武器威力评估中发挥着重要的作用。爆炸试验的冲击波测试作为一种瞬态信号测试,对测试系统的动态性能和可靠性有很高的要求。本文在现有冲击波压力测试系统的基础上,研究了一种基于压电薄膜的一体式冲击波测试系统。将高频率响应的PVDF薄膜与电路结构进行一体化设计,完成信号感知、信号调理和信号采集存储,通过上位机读取存储数据并分析,可降低成本、减小体积、提高测试可靠性。对一体式测试系统进行了激波管标定实验及小型爆炸模拟试验,结果表明,测试系统具有上升时间8μs的动态性能,可实现分辨率12 bit下1 Msps的信号采样,总存储容量达1 MB,测试系统可初步用于爆炸场冲击波压力测试。

封装厚度和位置对PVDF压电薄膜传感器电荷量的影响

近年来,聚偏氟乙烯(PVDF)压电薄膜传感器因可无源供电而得到广泛研究。PVDF压电薄膜传感器在使用时会进行封装,聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜是常用的封装材料。为了探究封装材料厚度和封装位置对传感器响应电荷量的影响,设计了6种封装厚度和封装位置不同的传感器,在不同频率下测定其产生的电荷量。结果表明:在0~20Hz和80~100Hz范围内,选择100μm或125μm的封装厚度可得到更多的电荷量;封装位置同样会影响电荷量的产生。同时分析了封装位置影响传感器产生电荷的机理。

基于聚偏二氟乙烯压电薄膜的播种机排种监测系统

为了能够在恶劣的环境中实时自动监测播种机的排种状况,提高监测的可靠性,采用聚偏二氟乙烯(polyvinylidence fluoride,PVDF)压电薄膜传感器将排种器单粒落粒物理量转变成脉冲电压信号,设计了以单片机STC89C52为核心的监测系统,该系统可根据传感器输出的相邻脉冲电压信号的时间间隔与机具的前进速度,计算出播种机的排种量,排种速度,播种面积,漏播率等性能指标。试验台试验结果表明,在排种器每秒落粒数分别为5、8.75、10时,系统对排种量监测精度为95.3%、96%、92.5%,对漏播量监测精度为90.4%、91%、90.2%;田间试验结果表明,在播种机前进速度分别为3、4、5 km/h时,系统对排种量监测精度为95.2%、93.8%、90.4%,对漏播量监测精度为93.3%、93.1%、89.7%。该系统满足排种器实时监测要求,有助于提高播种作业质量。

基于压电薄膜的免耕播种机播种深度控制系统

为使免耕播种机在秸秆覆盖地作业时自动保证播种深度的一致性和稳定性,设计了一种主动作用式播种深度自动控制系统。采用聚偏二氟乙烯（Polyvinylidence fluoride,PVDF）压电薄膜传感器将免耕播种机限深轮的胎面形变量转换为电压信号,信号处理电路对传感器产生的信号放大滤波,提取信号峰值,系统根据峰值信号实时监测播种单体对地表的压力,控制信号形成电路在压力不足时发出控制信号,控制安装在播种机机架与播种单体四连杆间的空气弹簧产生推力,使播种单体能够产生对地表的压力,从而保证播种深度的一致性。试验结果表明,所设计的主动作用式播种深度自动控制系统能够精确控制开沟深度,仿形性能可靠,作业速度为5～8 km/h时,播深合格率达到90%,作业速度大于8 km/h时,播深合格率明显高于被动作用式播种深度控制装置。

PVDF压电薄膜振动传感器及其信号处理系统

建立了测量振动的ＰＶＤＦ压电薄膜敏感元件的等效模型与传感方程，介绍了测量信号处理系统的结构、功能和用于机敏柔性梁上的实验结果，并给出了与加速度传感器测量结果的比较。

基于ZnO压电薄膜的柔性声表面波器件

提出并制备了基于聚酰亚胺柔性衬底的声表面波(SAW)器件。在柔性聚酰亚胺衬底上低温反应磁控溅射沉积了ZnO压电薄膜;采用X射线衍射仪,扫描电子显微镜,原子力显微镜等设备对ZnO薄膜进行了检测,结果表明:ZnO薄膜晶粒呈柱状生长并且(002)择优取向,膜粗糙度小于9nm,适合制作压电器件。在柔性衬底上制备了基于ZnO压电薄膜的SAW器件,该器件表现出良好的谐振性能。采用矢量网络分析仪检测器件的传输曲线,实验结果与仿真结果具有很好的一致性。随着波长减小,谐振频率和相速度增加,当ZnO厚度为4μm,波长为8μm时,器件的谐振频率为268MHz,相速度为2 144m/s,机电耦合系数为1.1%;当ZnO厚度增加时,此叠层结构的声表面器件的叠层声速也增加。

国产PVDF压电薄膜的冲击加载及卸载响应研究

对两种厚度的国产PVDF压电薄膜,用轻气炮和激波管进行了冲击加载应力 电荷曲线的标定,并与其它若干种国内外的PVDF标定曲线进行了对比和分析;采用阶梯卸载和同时测量质点速度的方法,研究了PVDF压电薄膜的冲击卸载响应特性,发现有明显的滞后效应存在。

压电薄膜微传感器振动模态的仿真分析

以压电本构方程为基础,建立了压电薄膜微传感器机电耦合的有限元模型,采用有限元分析软件ANSYS7.0对压电薄膜微传感器进行了模态分析,同时分析了压电薄膜微传感器的结构尺寸对振动模态的影响,探讨了影响压电薄膜微传感器工作稳定性和响应速度的关键因素,结果表明为了提高压电薄膜微传感器的工作稳定性和响应速度,应该在符合工艺要求和保证其它特性的前提下,尽量减小微悬臂梁结构长度,增加多晶硅层厚度,限制PZT层厚度,而微悬臂梁宽度的影响较小。

PVDF压电薄膜的应变传感特性研究

PVDF压电薄膜是一种重要的智能材料。本文理论分析了智能材料———PVDF压电薄膜的应变传感机理;研究了PVDF应变传感器的制作与布设工艺;试验研究了PVDF传感元件在准静态和动态响应下的传感特性,得到了PVDF传感元件的电压灵敏度,并分析了PVDF压电薄膜的尺寸对灵敏度的影响。研究结果表明:PVDF传感器具有灵敏度高、线性度好、制作与布置工艺简单、面监测等优点,适用于土木工程结构的健康监测。

PVDF压电薄膜在结构监测中的应用初探

本研究对采用PVDF压电薄膜监测结构的基本特性进行了较为系统的研究.分别做了PVDF压电薄膜监测结构的静态和动态响应实验,实验结果表明:PVDF压电薄膜监测结构应变的灵敏度很高,其静态响应的线性度也很好,而其动态响应则有非线性和迟滞现象.对于用PVDF压电薄膜监测结构的冲击载荷也进行了初步的研究,实验结果表明采用PVDF压电薄膜可以实时监测结构所受的冲击载荷,并能及时反应出结构所受到的冲击损伤.

PVDF压电薄膜的结构、机理与应用

简要论述了聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜材料的结构与性质,介绍了薄膜压电性产生的机理及其制备方法,概述了PVDF压电材料的应用。

一种柔性PVDF压电薄膜传感器的制备方案

利用性能优异的PVDF压电薄膜制备的新型柔性传感器柔性好、适应性强,可适应复杂曲面,其应用前景十分广阔。首先设计了具有柔性基底的PVDF压电薄膜传感器结构;其次,按照实验设计利用PVDF粉末制备了性能良好的PVDF压电薄膜,提出了一种柔性PVDF薄膜传感器的制备方案;最后总结了该传感器实验制备的主要工艺步骤,可为柔性PVDF传感器设计制备提供参考。

基于LabVIEW的PVDF压电薄膜触滑觉识别系统

利用聚偏二氟乙烯(PVDF)压电薄膜的柔性特点和压电敏感特性,设计并构建了基于LabVIEW的PVDF触滑觉识别系统,该系统由传感器,信号采集模块及LabVIEW信号处理显示3个模块组成。该文分别设计了触、滑觉传感器、信号调理电路及LabVIEW人机对话窗口,并进行了触、滑觉识别实验。实验结果表明,该系统能灵敏、准确的识别触觉和滑觉。

有阀压电薄膜泵性能研究

分析了腔体容积和阀的结构对压电泵最佳工作频率的影响 ,提出了小腔体、复合阀结构的压电薄膜泵设计观点。实验结果表明 ,采用较小的腔体体积 (腔体压缩比足够大 )和复合阀结构 ,可使压电泵最佳工作频率增加 ,同时使压电泵具有较强的自吸能力和抗气泡干扰能力。在无负载时对应流量的最佳工作频率为 5 0 Hz,随负载增加相应减小 ;对应输出压力的最佳工作频率为 2 0 Hz。在输入电压 80 V、工作频率 2 0 Hz时 ,压电泵最大自吸压力为 2 .5 k Pa,在输出压力小于 3.0 k Pa时 。

氮化铝压电薄膜的晶面择优取向

采用直流磁控反应溅射方法 ,在Si(111)基片上成功地沉积了表面粗糙度小、组成均匀、以 (10 0 )面和 (0 0 2 )面择优取向的AlN薄膜 ,研究了溅射气压、溅射功率和靶基距对AlN薄膜结构及晶面取向的影响。结果表明 ,溅射气压低 ,靶基距短 ,有利于以 (0 0 2 )面择优取向 ;相反 ,溅射气压高 ,靶基距长 ,则对 (10 0 )面择优取向有利 ;溅射功率过高或过低均不利于晶面择优取向。并从Al—N化学键的形成以及溅射粒子平均自由程的角度探讨了AlN压电薄膜晶面择优取向。