请选择 进入手机版 | 继续访问电脑版

 找回密码
 立即注册

QQ登录

只需一步,快速开始

查看: 156|回复: 0

[材料资讯] 具有良好压电性的微孔聚丙烯薄膜

[复制链接]

34

主题

47

帖子

51

积分

注册会员

Rank: 2

积分
51
发表于 2018-3-15 18:59:07 | 显示全部楼层 |阅读模式

压电与通过对材料施加机械力产生电荷,其应用非常广泛,包括传感器、执行器、振动控制、能量转换装置、扬声器、麦克风、自供电的机电转换装置、医疗监测系统、生物信号检测传感器和振动能量采集器等领域。有一些天然材料就具有压电特性,如石英和黄玉,我们最近开发了一种微孔热塑性薄膜来产生“铁电体”。这些是非极性材料,介电常数低,导热系数低,但灵活性高。此外,由于它们具有充气的蜂窝状结构,其声阻抗更接近于空气,从而产生了高的电荷存储能力。与传统的压电材料相比,铁电体具有更强的压电性。

我们的铁电体及基体是聚丙烯(PP)薄膜,除了灵活性外,还提供低材料和加工成本和良好的抗疲劳性能。我们开发了一种新的连续物理发泡工艺,使用超临界氮,获得具有变形(眼状)微孔的薄细胞聚丙烯薄膜。图1(a)图展示了微孔挤压过程。通过几个优化步骤:调整温度剖面和氮气压力(发泡剂),优化PP发泡;设计一个合适的挤出机螺杆结构,以提高聚丙烯熔体的气体分散/饱和度;准确控制和优化氮气含量;优化发泡的速度和温度(即后挤压,实现精确、眼状微孔结构;加入成核剂(碳酸钙),优化其浓度,提高微孔的均匀性。

开发的发泡挤出过程的示意图

开发的发泡挤出过程的示意图

图1 (a)开发的发泡挤出过程的示意图,获得了具有眼状细胞结构的薄聚丙烯(PP)薄膜;(b)泡沫聚丙烯薄膜及其充电的过程;(c)电晕充电系统;(d)压电测量系统

优化后,我们获得了厚度约为500μm、密度接近700kg/立方米的薄膜。图2(a)是这些薄膜的常规结构。然后利用电晕法:在一个闭孔结构中通电极化获得铁电体PP样品。在这个过程中,使用到的充电器放电针电压为21 kv,充电距离4厘米,充电时间60秒。图1(b)显示了从PP膜中获得的泡沫聚丙烯薄膜和剪切试样。电晕充电和压电测量系统分别如图1(c)和(d)所示。

常规样品的扫描电子显微镜图像

常规样品的扫描电子显微镜图像

图2 (a)常规样品的扫描电子显微镜图像,在PP膜的取向方向上有一个发育良好的眼状微孔结构,其压电系数、电容和存储能量容量分别作为(b) AMR1、 (c)杨氏模量和(d) AR值的函数。AMR:各向异性系数比,AR:长宽比。

我们之前研究了不同微孔结构关于其纵横比(AR)的压电行为,我们还研究了微孔内电离气体对压电行为的影响,并通过在充电前用氮气替换微孔内的空气来提高样品的存能容量。结果表明,对于所有样本,d33(该系数通常用于表示压电性能)提高。例如,AR = 5.4的PP微孔膜在用N2作为电离气体代替空气后,d33从250增加到550pC/N。我们建议用动态力学分析(DMA)来简单快速地描述材料的适用性。通过测量在纵向(L)和横向(T)存储(E′)和损失(E′′)的模量,我们提出了两个新的参数称为AMR(各向异性弹性模量比值),分别是AMR1 = E′(L)/ E′(T)和AMR2 = E′′(L)/ E′′(T)。9、10

如图2(b-d)所示,最高的AMR1(2.25)与最低的杨氏模量(584MPa)和最高的AR值(6.6)有关,而最低的AMR1(1.34)与最高的杨氏模量(833MPa)和最低AR值(3.7)有关。此外,最长的微孔结构(AR=6.6),具有最高的AMR1(2.25),具有最高的d33系数(800pC/N)、电容(465pF)和储能能力(1824pJ)。但是这个样品是在发泡过程中得到的最好的样品,与之相比,最短的样本(AR=3.7),具有最低的AMR1(1.34)、最低的d33系数(220pC/N)、最低电容(309pF)和储能能力(187pJ)。我们的结论是,储能比电容更依赖于微孔的形态。此外,泡沫形貌对材料的力学性能和压电性能有直接影响。最后,与AR>5相关联的AMR1在2.0之上,需要获得大约450pC/N的PP微孔薄膜的d33值。因此,使用AMR1进行d33预测是一种有用且敏感的方法,与形态学(AR)和机械(杨氏模量)参数一致。

综上所述,虽然我们能够确定微孔形态、机械性能和细胞聚丙烯薄膜的压电行为之间的关系,但其他参数对进一步改善压电效应的影响,如微孔密度和电离气体,仍有待研究。此外,同样的生产工艺也应适用于其他聚合物,以获得具有可比较的压电性能的铁电体材料。下一步,我们打算利用双轴拉伸和多层结构来提高薄膜的一般性能和灵敏度。


回复

使用道具 举报

小黑屋|手机版|Archiver|版权声明|材料圈 ( 京ICP备14007691

GMT+8, 2020-2-21 19:49 , Processed in 0.095617 second(s), 36 queries .

Powered by Discuz! X3.2

© 2001-2013 Comsenz Inc.

快速回复 返回顶部 返回列表