金字塔型柔性压电聚合物薄膜研究

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压电传感器作为压力信号检测的基础器件,在工业生产和日常生活中均有着广泛的应用。在压电传感器中,PVDF-TrFE压电聚合物因为具有理想的压电系数、较好的耐化学性以及绝佳的柔韧性等特性,成为目前研究最多的一种压电功能材料。但随着科技设备的需求的越来越高,对压电传感器性能的要求越来越高,其中压电传感器的制作工艺与薄膜结构是研究的主要方面之一。本论文首先基于有限元分析的方法,利用参数化编程软件ANSYS仿真了柔性压电聚合物薄膜不同的表面结构,包括传统平面结构、四方柱结构、三棱柱结构和金字塔结构,通过施加相同的约束和压力载荷,对比四种结构的应变情况以及压电情况,通过输出数据对比得出金字塔结构是最好的压电结构。在加载相同压力下,讨论了应变和输出电压两个物理量的关系。由仿真结果得知,金字塔结构的应变值最高,输出电压最高;平面结构的应变最小,输出电压最小。本文为了进一步验证仿真的结果,对PVDF-TrFE柔性压电薄膜进行了实验探索。首先经过磁控振子搅拌方法,将PVDF-TrFE(聚偏二氟乙烯-三氟乙烯共聚物)粉末溶解于DMF(二甲基甲酰胺)配置成溶液。然后利用旋涂法,摸索最佳的PVDF-TrFE溶液浓度。然后利用甩胶工艺制备出PVDF-TrFE压电聚合物薄膜。再利用一些压电表征方法对薄膜的压电性进行表征。例如利用PFM(压电力显微镜)技术观测PVDF-TrFE压电薄膜材料的蝴蝶曲线和电滞回线,利用FT-IR(傅里叶变换红外吸收谱)讨论了PVDF-TrFE成分中和β相相关的官能团,也就是和压电相关的官能团的作用。利用XRD(X射线衍射)技术表征了退火结晶的情况。本文最后在压电薄膜工艺的基础上,制备出了平面结构的PVDF-TrFE压电薄膜,利用Si模具制备出金字塔结构的PVDF-TrFE压电薄膜,观察了金字塔结构的表面形貌,为保证对比的可行性,两者尺寸相同,工艺相同。然后利用示波器、振动台等压电测试设备测试了平面结构和金字塔结构的压电性能,基于测量结果讨论发现金字塔结构确实具有压电优越性,与仿真结果一致。另外,我们对金字塔压电薄膜还进行了稳定性测试和对不同压力大小的响应情况测试。
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