柔性热释电薄膜的制备及界面改性
发布时间：2020-04-26 09:14
【摘要】：以可穿戴设备,柔性电子屏幕、柔性多功能传感器为代表的柔性电子器件是近些年来兴起的一种新型电子器件。这类器件有着柔性可弯曲、生物相容性优、材料成本低廉等独特性质,在信息、能源、农业、医药等领域具有广阔的应用前景。聚偏氟乙烯(PVDF)材料是目前研究应用最广泛的柔性电子材料之一,但是传统的三步法制备工艺大大限制了该材料的产业化发展。因此,本文从制备热释电PVDF薄膜入手,研究制膜工艺对薄膜性能的影响。(1)首先从成膜的基板材料着手,研究了流延在不同材质基板上的PVDF薄膜的结晶度、结晶相、热释电响应。发现在亲水性优的基板制备的PVDF薄膜β相含量高,同时结晶度和热释电电压响应也高。而对于亲水性相差不大的晶态基板,基板与PVDF薄膜的四种晶相间存在不同的晶格失配度,而与PVDF的某种结晶相失配度越小,越容易生产该种结晶相。铜板与β相PVDF薄膜的晶格失配度很低,仅仅不到0.2%,因此流延在铜板上PVDF的薄膜获得了高的β相含量。(2)其次,本论文通过在非晶态的玻璃基板表面修饰羟基,研究了基板的亲水性对薄膜性能的影响,发现随着修饰羟基数量的增加,PVDF薄膜的结晶度越高,其中β相提高的比例远高于α相提高的比例,而剩余极化强度、相对介电常数以及介电损耗也逐渐增加;并且,薄膜与基板之间的附着力越来越强,导致薄膜从基板上揭下的抗剥离力也越来越大。更重要的是,经羟基修饰的PVDF薄膜产生了自发极化,流延的薄膜无需后续的热极化可以直接测得热释电电压响应,说明薄膜中的偶极子已经有序取向,实现了一步法制备自发极化的PVDF热释电薄膜。(3)最后,从极化方向、极化程度以及机理等方面对自发极化PVDF薄膜的极化特性进行了探究。发现羟基诱导自发极化的PVDF薄膜极化方向是从基底指向薄膜;提出“种子层”模型来阐述自发极化机理,薄膜和基板之间氢键导致第一层PVDF分子链有序取向,并作为“种子层”使得后续各层分子链在静电力的作用下自下而上有序对准;通过热极化处理,研究自发极化薄膜的极化程度,发现经羟基诱导自发极化的PVDF薄膜的热释电响应等效于传统薄膜在场强为23 MV m-1条件下进行的热极化响应,而反向极化时,薄膜的热释电响应信号持续下降,场强大于27MV m-1时,薄膜的极化方向反转。
【图文】：
而在这具有压电效应的２１种非对称点群中，其中只有具有单一极轴的１０种点群逡逑晶体能产生热释电效应。换句话而言，晶体有热释电效应的话就一定会有压电效应，逡逑而晶体有压电效应的话未必就有热释电效应。图１－１列出了铁电、压电、热释电材逡逑料的关系图，其中压电材料的范围最大，包括热释电材料和铁电材料。而热释电材逡逑料又包括了铁电材料。逡逑压电效应的研宄较早，理论和应用的发展比较完备。而热释电效应的研宄起步逡逑较晚，虽然人类在公元三百年就观察到了热释电现象：电气石吸引轻小物体［１］。但逡逑是科学家真正开始系统研宄热释电效应及其实际应用已经到了邋２０世纪。到了邋２０逡逑１逡逑
静电纺丝是一种快速制备柔性纤维薄膜的方法，可以满足人们制备可穿戴电逡逑子器件的需求。Ｐｅｒｓａｎｏ等人［１２］通过静电纺丝的方法制备ＰＶＤＦ和Ｐ（ＶＤＦ－ＴｒＦＥ）纳逡逑米纤维薄膜，如图１－２（ｂ）。把这些薄膜制作成柔性电子器件并编织到纺织品上，制逡逑作成贴身的衣物以此在人类活动中获取能量。这些薄膜机械性能稳定，可反复弯曲逡逑折叠，无断裂。在１邋Ｈｚ的弯曲频率下，这些薄膜实现了高达４０ｎＡ的电流和约１．５逡逑Ｖ的电压。Ｃｈａｎｇ等人［１３］还利用近场致电纺直接写入技术（ＮＦＥＳ）制备了一种基于逡逑ＰＶＤＦ柔性纤维的纳米发电机如图ｌ－２（ｃ）所示，在２邋Ｈｚ的压力下输出电压达４５邋ｍＶ。逡逑将多个纳米纤维通过串联或并联的方式排列，，以此增加总的电压输出。逡逑ＰＶＤＦ铁电聚合物及其共聚物作为柔性传感器时，可以感知外界的机械、传热逡逑⑷邋１：｜——＜ｂ）；逡逑ｄ逦００逦°－＊ｍｅ（ｓ）逦１－°逦１５逦０．０逦０．１逦０．２逦０．３逦０＾４逦０．５逦０．６逡逑Y妫迹保埃五五澹裕椋恚浚ň溴义息儒义希板危靛危保板危保靛危玻
本文编号：2641338
【图文】：
而在这具有压电效应的２１种非对称点群中，其中只有具有单一极轴的１０种点群逡逑晶体能产生热释电效应。换句话而言，晶体有热释电效应的话就一定会有压电效应，逡逑而晶体有压电效应的话未必就有热释电效应。图１－１列出了铁电、压电、热释电材逡逑料的关系图，其中压电材料的范围最大，包括热释电材料和铁电材料。而热释电材逡逑料又包括了铁电材料。逡逑压电效应的研宄较早，理论和应用的发展比较完备。而热释电效应的研宄起步逡逑较晚，虽然人类在公元三百年就观察到了热释电现象：电气石吸引轻小物体［１］。但逡逑是科学家真正开始系统研宄热释电效应及其实际应用已经到了邋２０世纪。到了邋２０逡逑１逡逑
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