交联聚丙烯压电驻极体的压电性能及振动能量采集研究

以电子束辐照交联聚丙烯(IXPP)泡沫薄板为原材料,首先利用热压工艺对微观结构进行改性,然后采用电晕充电方法对样品实施极化处理,使之具有压电效应,成为压电驻极体.通过准静态和动态压电系数d33、复电容谱,以及等温衰减的测量,研究了IXPP压电驻极体膜的机电耦合性能;同时考察了基于IXPP压电驻极体膜的振动能量采集器在{3-3}模式下对环境振动能的俘获.结果表明,IXPP压电驻极体的准静态压电系数d33可高达620 pC/N;厚度方向的杨氏模量和品质因数(FOM,d33·g33)分别是0.7 MPa和11.2 GPa^(-1);在50,70和90℃下进行等温老化,经过24 h后,IXPP压电驻极体膜的准静态压电系数d_(33)分别降低到初始值的54%,43%和29%;采用面积为3.14 cm^2的IXPP压电驻极体膜为换能元件,当振子质量为25.6 g,振动频率为820 Hz时,振动能量采集器在匹配负载附近可以输出高达65μW/g^2的功率.

用作空耦超声换能器的聚丙烯多孔膜驻极体的压电性能

以初始厚度为50μm的国产聚丙烯(PP)多孔膜(PQ50)为原材料,通过微结构调控制备了不同厚度的压电驻极体膜,并对比研究了其与芬兰VTT开发的商用PP多孔压电驻极体膜HS70的压电和声学性能。结果表明薄膜的杨氏模量与厚度呈U型依赖关系,杨氏模量在厚度为60~65μm时出现谷值。PP压电驻极体膜的极化呈现阈值行为,在阈值电压以上,压电d_(33)系数随着极化电压的上升而显著增加。当极化电压为6kV时,厚度为60μm的PQ50多孔膜d_(33)达355pC/N,而HS70的d_(33)系数为179 pC/N。在1~10N的静态力范围内,两类PP多孔膜驻极体的压电d_(33)系数先下降后趋于平稳。以PQ50(厚度60μm)和HS70为振膜制作的超声换能器,其振幅分别为170和26 mV,带宽分别为320和180 kHz,因此,国产PQ50薄膜经微结构调控处理后表现出优于商售VTT薄膜的压电与声学性能。

聚丙烯孔洞型铁电驻极体薄膜的压电性研究

利用准静态法和激光干涉法测量正、逆压电d33系数，研究了经压力膨化处理的聚丙烯孔洞型铁电驻极体薄膜压电系数的压强和频率特性及其热稳定性。结果表明，聚丙烯薄膜经压力膨化处理后，其压电性能改善的原因是：压力膨化处理既能有效地降低孔洞膜的弹性模量Y，又能增强其储电能力。聚丙烯孔洞膜的压电d33系数在激励信号压强为0．2～4kPa的范围内基本保持恒定，但当其值高于4kPa时，d33系数出现了明显的下降。聚丙烯孔洞膜的压电d33系数随频率上升而下降（即从0．001Hz时的1200pC／N降低到其机械共振频率附近时的350pC／N），是与材料的弹性模量Y随频率的上升而增加直接相关。对不同工艺参数制备的样品，其机械共振频率位于150～400kHz范围内。实验结果还表明：聚丙烯孔洞膜的压电d33系数的热稳定性与非孔洞型聚丙烯驻极体薄膜的电荷储存热稳定性相近。

聚丙烯压电驻极体的振动能量采集研究

以线性聚丙烯(PP)为原材料,经压缩气体膨化处理和电晕极化处理后,使其具有压电效应,并将其应用在振动能量采集器中。结果表明,PP压电驻极体在厚度方向上的弹性模量和机械品质因数(FOM,d33·g33)分别为1.7 MPa和8.4GPa^(-1),利用面积为3.14cm^2单层膜进行能量采集,当振子质量为25.6,33.7和57.7g时,其共振频率分别为2 300,2 000和1 800 Hz,在各自的匹配负载条件下,获得的输出功率分别为10.1,13.2和16.9μW/g^2。将两片PP膜电学串联,当振子质量为33.7g时,在共振频率1 400Hz和匹配负载4.3 MΩ的条件下,可以获得的输出功率为15μW/g^2。

聚丙烯孔洞驻极体薄膜的突出压电活性及其应用研究

聚丙烯(PP)孔洞膜可呈现高达1000pC/N 的准静态压电 d_(53)系数,是久负盛名的铁电聚合物 PVDF 相应系数的50倍以上,可和压电陶瓷相媲美。基于国内外最新研究成果,综述了 PP 孔洞膜的制备技术、极化方法、压电活性以及可能的应用前景。

孔洞结构聚丙烯铁电驻极体薄膜的压电性研究

为了提高孔洞结构聚丙烯(cellular PP)铁电驻极体的压电性能,采用高压气体膨化技术对材料进行了改性处理,并利用准静态和干涉仪测量方法,对经处理的cellular PP铁电驻极体薄膜的压电效应进行了研究.结果表明:气体膨化工艺能够明显提高cellular PP铁电驻极体薄膜的压电活性:这种突出的压电活性源干膨化膜杨氏模量Y的降低和电极化能力的提高;压电系数d33随频率的增加呈现下降趋势:从0.01 Hz下的1200 pC/N降低到共振频率附近的350 pC/N;对于不同参数处理的样品,它们的共振频率在150～400 kHz;大多数样品的d33在0.2～10 kPa的范围内没有明显的变化,但是高于10 kPa,d33随之下降;cellular PP铁电驻极体薄膜d33的热稳定性与非孔洞型PP驻极体薄膜的电荷储存热稳定性相当.

交联聚丙烯压电膜的热拉伸法制备和压电特性

通过热拉伸法制备了交联聚丙烯(XPP)压电驻极体薄膜。利用扫描电镜(SEM)技术观察了薄膜的微观结构,采用准静态法测量了该功能膜在不同拉伸比下的压电常数d33,并分析了材料结构对d33带来的影响。结果表明,样品获得压电效应的拉伸比阈值是70%,且随拉伸比的提高,样品的d33逐渐增强;当拉伸比为150%时,d33达到35 pC/N。对于所有经过热拉伸处理的样品,其d33在30 kPa的压强范围内都具有良好的线性度。样品表面结构对其压电效应亦有影响,选取粗糙面进行电晕充电更易于提高XPP膜的电极化效率,获得较高的压电系数。

聚丙烯压电驻极体薄膜声电传感器的性能

压电驻极体(也称为铁电驻极体)是以空间电荷驻极体为基体的一类新型压电功能材料,这种材料不仅具有与压电陶瓷相近的压电活性,同时拥有柔韧、低介电常数和低声阻抗等特点。本研究制备了基于聚丙烯(PP)压电驻极体薄膜的声电传感器,并采用电压放大电路和电荷放大电路对其在声频下的灵敏度进行了测量。结果表明,PP压电驻极体声电传感器在1kHz下的电压灵敏度约为0.8mV/Pa,并在300Hz^10kHz的声频范围内有良好的线性输出特性。

辐照交联聚丙烯压电功能膜的机电性能

研究了基于辐照交联聚丙烯(XPP)的压电驻极体功能膜的机电性能。利用介电谐振谱测定了XPP膜的弹性模量;通过准静态方法测量了该功能膜的压电系数d33及其压强特性曲线;对压电相应的时域谱进行了分析;最后讨论了该功能膜的力学疲劳特性。结果表明XPP压电驻极体膜的弹性模量为1.3MPa,压电系数d33在10～100kPa的压强范围内都具有良好的线性度;时域谱揭示了XPP膜的粘流特性;XPP膜的输出电压和压力呈现良好的线性关系;经历60万次的循环力载荷,压电系数d33没有明显的变化。

PFA/多孔PTFE/PFA三层驻极体膜的压电活性

通过升温至PFA熔融温度以上,在PTFE多孔膜的双面粘贴上一层PFA薄膜,形成具有封闭式孔洞的三层复合膜.以栅控电晕充电,等温表面电位衰减和准静态压电系数测量研究了这类复合膜的电荷稳定性及压电活性.利用扫描电镜(SEM)的结果对这种夹心结构复合膜的电荷稳定性和压电活性的结构根源进行了分析.

聚丙烯蜂窝膜驻极体压电系数的测量及压电性的改善

利用介电谐振谱分析了聚丙烯蜂窝状原生膜 (PPCellular,PQ5 0型 )的力学及介电参数 ,测得其压电系数d33约为 18pC N .经合理的压力膨化工艺处理后 ,其d33可增加至 36 7pC N ,比久负盛名的铁电聚合物聚偏氟乙烯 (PVDF)的d33高 2 0倍以上 ,也高于压电陶瓷锆钛酸铅 (PZT)的相应值 .

极化电压对聚丙烯压电驻极体膜压电性能的影响

压电驻极体是具有压电效应的微孔结构空间电荷驻极体材料,其压电性能与材料的微结构和空间电荷密切相关.本文首先利用压缩气体膨化工艺对聚丙烯(PP)的微结构进行改性,然后利用接触极化方法,研究了极化电压与PP膜空间电荷密度之间的关系,及其对压电性能的影响.结果表明对于极化前厚度为100μm的PP膜,其内部建立有序空间电荷分布的阈值极化电压为2 kV;一旦有序空间电荷建立起来,PP膜即具有压电效应.随着极化电压的提高,PP膜的空间电荷密度逐步增大,压电效应显著增强.当峰值电压为8 kV时,PP膜电极上的电荷密度、准静态压电系数和品质因数FOMv(d33·g33)分别为0.56 mC/m2,379 pC/N和8.6(GPa)-1.PP压电驻极体膜的FOMv比聚偏氟乙烯(PVDF)铁电聚合物膜高2个量级以上,且声阻抗非常低(～0.025 MRayl),因此该压电膜在超声波发射-接收系统或脉冲-回波系统中具有明显的优势.

基于单极性驻极体薄膜的振动能俘获研究

利用电晕充电方法成功制备了单极性交联聚丙烯(IXPP)驻极体膜,并设计、制备了基于该驻极体膜的振动能量采集器.通过表面电位的测量,研究了IXPP驻极体膜的电荷储存稳定性;通过测量振动能量采集器样品的准静态和动态电荷灵敏度,考察了能量采集器的机电耦合性能,研究了能量采集器在{3-3}模式下对环境振动能的俘获.结果表明,用-13 kV的电晕电压与-2.0 kV的栅极电压给单面镀铝电极的IXPP样品充电,在实验室环境下放置15天后获得-680 V稳定的表面电位;利用准静态方法测量器件样品的电荷灵敏度,在1.3 kPa压强下,样品的准静态电荷灵敏度M高达1800 pC/N;对于有效面积为13 cm^2的能量采集器,当振子质量为42.2 g,在共振频率70 Hz处,样品在最佳负载电阻80 M?附近的输出功率为5μW.

聚丙烯压电驻极体膜的压电和声学性能研究

以多孔聚丙烯(PP)膜为原材料,通过压缩气体膨化工艺和电晕极化方法成功制备出PP压电驻极体膜,并研究了该功能膜的压电和声学性能.结果表明PP压电驻极体膜厚度方向和横向的杨氏模量分别为1.4和480MPa,因此压电系数d33比d31和d32高2个量级以上,d33是该类压电膜压电效应的主要性能指标,而d31和d32可以忽略不计.PP压电驻极体膜的准静态压电系数d33在15—35kPa的压强范围内具有良好的线性度.在2—300Hz的测试频率范围内,300Hz下的d33是2Hz下的81%,这主要是由PP膜的杨氏模量随频率增大而增强引起的.在100Hz—100kHz的音频和超声波频率范围内,PP压电驻极体膜具有平坦的频响曲线;在1kHz下其开路电压灵敏度和压电系数d33分别为0.85mV/Pa和164pC/N.

2017年中国科学院深圳先进技术研究院在生物医学工程方面的一些研究进展

中国科学院深圳先进技术研究院生物医学光学与分子影像研究室郑炜研究员及其团队主导的研究[1]在生物组织成像中的信号强度和分辨率方面的研究取得进展（自适应光学提升超分辨显微成像）。该研究将具备深层生物组织成像能力的双光子显微成像技术和具备超分辨成像功能的瞬时结构光照明显微成像技术有机结合起来,实现了双光子激发的超分辨显微成像功能。