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.

应用于人工皮肤的压电驻极体触觉传感阵列研究

基于聚丙烯压电驻极体(Piezoelectret)设计了一种应用于人工皮肤的触觉传感器。该传感器具有柔性良好、压电效应稳定、制备简单、成本低廉等特点。通过触压、滑动、同时触压与滑动、恒定力重复触压等实验,可观察到该传感器对不同触觉信号具有明显的特征差异,且阵列传感器的信号检测稳定性比单路传感器高40%。将该传感器置于假肢手指前端反馈触觉信号,并根据触觉信号调控假肢手的抓握力,可实现对易脆和光滑物体的稳定抓握。

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。

压电驻极体材料与电声器件

含封闭孔洞结构的聚合物薄膜经过适当的电极化处理后表现出突出的压电活性。由于它同时具有压电材料和驻极体的特点,被命名为压电驻极体。说明了压电驻极体薄膜的制备方法,以及在传声器上的应用,并给出了制备样品的电声参数:采用的压电驻极体薄膜的准静态压电系数d33为200pC/N,其制成的传声器灵敏度为-61.74dB,与理论计算结果相符。新型的压电传声器的优点在于其设计简单,体积小,可靠性高和成本低,同时外观和尺寸有较大可变空间范围。

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。

基于压电驻极体的微能量采集

综述了以压电驻极体换能器为核心部件的微能量采集研究,包括压电驻极体的基本物理原理和性能特点,以及该材料在微能量采集领域的应用研究.压电驻极体是具有微孔结构的驻极体材料,其压电效应是基体聚合物的驻极体性能和材料微孔机械结构协同作用的结果,是一类新型人工微结构柔性机电耦合材料.压电驻极体以强压电效应、柔韧、低密度、低声阻抗、薄膜型等为特征,是制备轻量化柔性传感器和机械能量采集器的理想换能材料.压电驻极体已被应用于振动能量采集器、人体运动能量采集器、以及声能采集器的研究中.根据压电驻极体膜受力方向的不同,可以将能量采集器的工作模式分为33模式和31模式两种.本文对基于压电驻极体的三类能量采集器的研究状况进行综述,并讨论未来的发展方向.

基于压电驻极体的脉象采集分析系统

中医临床诊疗信息受到医师水平、诊疗习惯等主观因素的影响,可靠性、准确性和一致性趋于不稳定,该文提出一种脉诊仪系统的设计方案,以数字化信号表征中医脉诊的信息,克服中医诊疗主观因素的影响。系统通过自驱动柔性压电驻极体传感器精确、稳定、可靠地采集人体寸、关、尺三个部位的脉搏信号,集成气泵、气囊等的压力控制系统,可精准地控制取脉压力,得到浮取、中取和沉取三种不同的脉象信息。利用大量的脉象信息数据,可以建立相应的数据库,为脉诊的数字化和精确化提供依据。

面向空耦电声换能器应用的高性能FEP/PTFE复合膜压电驻极体

压电驻极体(也称为铁电驻极体)是一类具有强压电效应的微孔结构驻极体材料,具有柔韧、低密度、低特性声阻抗等特征,是制备柔性空气耦合声电换能器的理想材料.针对器件对高灵敏度和高温工作环境的应用需求,本文报道高性能氟化乙丙烯/聚四氟乙烯(FEP/PTFE)复合膜压电驻极体的制备和性能表征.研究结果表明,FEP/PTFE膜的特性声阻抗为0.02 MRayl(1 Rayl=10 Pa·s/m);在小压强范围内的准静态压电电荷系数d_(33)可高达800 pC/N,且具有良好的压强特性.基于FEP/PTFE复合膜压电驻极体的麦克风的灵敏度最高可达6.4 mV/Pa@1 kHz,远高于文献报道的相同结构的压电驻极体麦克风的灵敏度,且具有平坦的频响曲线.对于直径为20 mm的超声波发射器,当驱动电压V_(p)为600 V时,样品中轴线上距离器件表面100 mm处,40—80 kHz频率范围内产生的超声波的声压级为80—90 dB(参考声压为20μPa).基于FEP/PTFE复合膜压电驻极体的声电换能器的热稳定性显著优于聚丙烯(PP)压电驻极体声电换能器:在125℃下老化211 h,器件的灵敏度保持初值的26%,这得益于基体材料FEP和PTFE优良的空间电荷储存稳定性.

应用于手部关节运动的压电驻极体柔性传感器

采用压电驻极体材料聚丙烯(PP)薄膜作为柔性敏感膜,采用膨化及电晕极化工艺对压电驻极体薄膜进行处理,使薄膜的杨氏模量降低,进一步提升其电极化能力,从而提高压电薄膜的压电系数d_(33),进一步增强压电活性。采用准静态压电实验的方法测量薄膜的压电特性,得出本实验中样品d_(33)数值在150~200 pC/N之间。同时发现常温下的薄膜存在电荷衰减现象,因此,采用冷压封装的手段进行处理,提升薄膜的电荷储存稳定性。设计制作出的阵列式压电传感器的输出信号可在不同弯曲角度下表现出不同的特性,表明该传感器可以表征手指的弯曲。实验证明:所制备的敏感膜样品具备了较强的压电活性,在无需进行电路二级放大情况下可以完成可穿戴条件下人体生命体征和人体肢体运动监测。

新型压电驻极体脉搏分析仪

利用多孔压电驻极体薄膜制备压电传感器,贴在手腕上采集脉搏振动的信号,并配上相应的后端电路和显示装置,制造出一种新型的压电驻极体脉搏分析仪。由于采用压电驻极体薄膜作为脉搏传感器的换能器,脉搏分析仪的灵敏度高,失真度低,重复性好。在脉搏分析仪中,采用塑化膜的形式封装压电电极,易引入干扰。采用压电麦克风的封装形式的传感器抗干扰能力强,且场效应晶体管(FET)易集成,成本低,实测的波形图近似于典型心电图波形,具有很大的医疗参考价值。

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。

氟聚合物压电驻极体的压电性及其电荷的动态行为

描述了一种可控微结构的多孔聚合物压电功能膜的制备方法,讨论了采用该工艺制备的聚四氟乙烯(PTFE)和全氟乙丙烯共聚物(FEP)复合膜压电驻极体的压电性能及其热稳定性.通过等温压电系数衰减和短路热刺激放电(TSD)方法,研究了氟聚合物复合膜压电活性热稳定性改善的根源,以及脱阱电荷输运和复合的特性.结果表明,这类氟聚合物压电驻极体膜的准静态压电系数d33可高达2200pC/N;压电系数d33的压强特性在直到20kPa的压强范围内呈现良好的线性;与聚丙烯(PP)压电驻极体膜相比较,氟聚合物复合膜压电驻极体不但具有更高的压电活性,而且呈现更优良的热稳定性,并且预老化处理可以进一步提高其压电活性的热稳定性.氟聚合物热稳定性的提高是源于材料微结构的稳定以及基体电介质的优异电荷储存性能;储存在微孔洞上下固体介质壁上的空间电荷在热激发脱阱后,在驻极体电场作用下的输运路径主要沿着固体介质层的表面迁移并与异性电荷复合.

人工调控微结构压电驻极体的热稳定性和电荷动态特性

利用表面带有周期性结构的硬质模板,通过冷压工艺将周期结构图案复制到多孔聚四氟乙烯(PTFE)薄膜表面,再经过热黏合工艺与致密氟化乙丙烯共聚物(FEP)薄膜复合,制备出了高度有序的微孔结构复合膜,并用电晕充电的方法对复合膜进行极化处理,最终获得氟聚合物复合膜压电驻极体.借助对这类复合膜压电驻极体介电谐振谱的测量,得到了材料的杨氏模量.并利用等温热老化工艺对它们的压电系数d33的热稳定性进行了考察.最后通过短路热刺激放电谱的测量和分析,讨论了该复合膜在热老化处理后的电荷动态特性.结果表明,通过在多孔PTFE薄膜表面复制模板的周期结构并与致密FEP薄膜热黏合的方法能成功地制备出微结构高度有序的多孔复合膜.通过改变模板的周期结构还可以对复合膜驻极体微结构进行人工调控,进而实现材料力学性能和压电性能的人工控制.本文中制备的复合膜压电驻极体的杨氏模量约为0.53MPa,它们的准静态压电系数d33不仅可高达500pC/N,而且表现出良好的热稳定性,例如在150℃下经过5000min的热老化处理,d33系数还能保持初值的22%.经过热老化处理的复合膜,其脱阱电荷的输运途径以穿越固体介质层为主.

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.

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.

有序结构氟聚合物压电驻极体的制备和压电性研究

描述了一种有序微孔结构压电聚合物功能膜的制备方法,利用模板的高度有序实现薄膜微孔结构的精确控制.将此制备方法用于氟聚合物压电驻极体薄膜的制备,通过扫描电子显微镜(SEM)对其微观结构的观察表明薄膜具有理想的有序结构.对氟聚合物压电驻极体压电性的研究则是利用正压电效应测量准静态压电系数d33,通过等温衰减和压强依赖性的测量考察其压电性能.结果表明:有序结构氟聚合物压电驻极体的准静态压电系数d33可高达300pC/N;与无序结构氟聚合物压电驻极体薄膜相比较,有序结构薄膜d33的热稳定性有了明显的提高;在～32kPa的压强范围,压电系数d33表现出相当大的压强依赖性,这可能与薄膜的杨氏模量随压强增大而增强有关.

多孔压电驻极体材料的孔洞微结构优化研究

多孔压电驻极体是带有分布电荷的孔洞聚合物材料,是一种新型的压电材料.多孔压电驻极体材料的宏观压电性与内部孔洞微结构的构型和分布密切相关.将多孔压电驻极体材料看成含周期微结构的复合材料,采用渐近均匀化理论求解宏观等效系数性质,基于变密度法和拓扑优化方法,利用ANSYS的APDL参数化设计语言编制基于有限元分析的优化程序,给出最优的孔洞微结构拓扑,获得最大压电系数.

多孔压电驻极体有效压电系数随时间演化行为的渐近均匀化研究

由于聚合物的粘弹性,多孔压电驻极体厚度方向的有效压电系数d_(33)表现出随时间演化的行为.将多孔压电驻极体材料看成粘弹性聚合物形成的周期压电复合材料.基于弹性一粘弹性"对应原理",在Laplace域内建立多孔压电驻极体有效性质的渐近均匀化列式,基于代表性体元的有限元分析结果,获得Laplace域内有效压电系数d_(33)的离散值.对离散值最小二乘拟合,将拟合函数逆变换,得到时域内的多孔压电驻极体有效压电系数随时间的变化函数.通过几个算例,验证应用本方法分析多孔压电驻极体有效压电系数随时间演化行为的可行性.

基于压电驻极体的倒置旗帜式风能采集器研究

在气流作用下,倒置旗帜式结构展现出优异的振荡特性,被广泛应用在风能采集器中,其结构简单、体积小、在微型化方面具有极大的优势。压电驻极体作为新型高性能压电材料,在能量采集领域有很大的应用前景。提出一种基于压电驻极体的倒置旗帜式风能采集器。对采集器的原理进行了分析;搭建了小型风洞实验系统,对倒置旗帜式风能采集器的性能进行了实验研究。结果表明,采集器具有较宽的有效风速范围(5 m/s-14 m/s);在9.5 m/s的风速,10 kΩ的负载电阻下,可获得187.66μW的最大输出功率,其功率密度为3.61 mW/cm^(3)。采用压电驻极体作为换能材料,该倒置旗帜式风能采集器实现了风能的有效采集,且具有较好的输出性能,在无线传感器网络节点、低功耗电子设备供电等方面有极大的应用潜力。

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。