PVDF基共聚物介电、光电和挠曲电性能的研究

来源 :中国科学技术大学 | 被引量 : 0次 | 上传用户:huangxz
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现代科学技术的高速发展给人类社会的生产、生活带来了日新月异的变化,而功能材料的开发和利用则为现代科学技术的发展和进步提供了有力支撑。在众多的功能材料中,高分子电子功能材料除了具备一般功能材料在受电、声、光、磁等外界刺激后具备一定功能性的特点外,还具有重量轻、柔性好、易于加工改性和大规模制备等优点,它在能量存储、传感器、制动器和逻辑存储器件等领域拥有广泛的应用前景,是如今智能材料发展研究中的热门方向。其中,PVDF基材料在介电、光电和挠曲电等诸多电学性能方面均有着出色的表现,更是被人们寄予厚望。然而,目前对PVDF基材料的介电性能相关机理还有许多地方尚不清楚,介电性能尚需进一步提升才能满足实际应用的要求;PVDF基复合材料的光电响应性能也面临同样的问题:PVDF基复合材料虽然可以具有几十毫伏的光电响应,但这样的光电性能还不够理想,需要进一步提升;与此同时,其光电响应机理还不清晰,需要不断探究。挠曲电效应是介电材料具备的一种机电耦合效应,人们在无机陶瓷材料中获得了超过理论预测3-8个数量级的挠曲电系数,并且以无机陶瓷材料为基础建立了一定理论基础。挠曲电效应可以使材料不通过高电场极化就具备一定表观极化。但是目前对于聚合物挠曲电效应的研究还是比较少,相应的微观作用机理还有待揭示。这些现实情况和问题都极大地影响和限制了PVDF基材料在工程技术上的开发和利用。针对上面的存在的问题,我们选取PVDF基共聚物材料作为实验对象,研究了介质阻挡放电对P(VDF-CTFE)共聚物介电性能的影响,制备表征了 P(VDF-TrFE)共聚物复合材料的光电性能,并对P(VDF-TrFE)共聚物及三聚物的挠曲电效应进行了测试和讨论。本论文的研究内容主要分为以下四章:第一章简要介绍了 PVDF基材料的发展历史,晶相结构以及制备条件对晶相结构的影响;而后简单阐述了 PVDF基材料具有的电学性能;最后介绍了几种常见PVDF基材料的化学结构和电学性能。第二章主要介绍了借助DBD技术对P(VDF-CTFE)共聚物材料进行单面处理。测试表征材料的介电常数,高场极化强度和击穿强度等性能。首次发现材料的击穿强度与其连接测试高压源的方式有关。当处理面连接到电源正极时,材料的击穿强度会出现大幅度降低。通过晶体结构和表面结构的分析,指出空穴注入是介电击穿的主要原因,并且DBD处理破坏了聚合物表面的化学结构,造成了击穿强度的降低。第三章详细介绍了席夫碱/P(VDF-TrFE)和螺吡喃/P(VDF-TrFE)两种具有1 V以上光电响应的全有机复合材料体系。席夫碱体系的复合材料在绿光光照和近红外光照下,分别可以获得高达39mV和279mV的光电响应电压。经过极化,样品在绿光和近红外光下的光电响应大幅度增强,分别提升到352mV和1386mV。经过研究,我们发现席夫碱复合材料具有明显的光热效应。极化样品的光电响应主要来自于其光热-热释电转换。而非极化样品在制备过程中,具有一定的自发极化,其光电响应也来自于光热-热释电转换,同时席夫碱分子的光电响应和温度不均引起的光热-热电转换也可能有一定的贡献。在螺吡喃体系中,我们利用外电场使开环的螺吡喃分子发生一定取向排列,制备了不同取向的全有机复合材料。在螺吡喃复合材料中,我们获得了在绿光和近红外光下高达362mV和1650 mV的光电响应电压。与此同时,我们还发现螺吡喃分子的取向排列对复合材料的光吸收和光电响应都有一定影响。第四章重点介绍了我们利用三点弯振动模式测得P(VDF-TrFE)(70/30)共聚物、P(VDF-TrFE)(55/45)共聚物和P(VDF-TrFE-CTFE)三聚物的挠曲电系数。由于发现聚合物材料的介电常数与挠曲电系数非正相关,我们率先提出聚合物材料挠曲电效应的微观机理与无机陶瓷材料不同。此外,我们进一步指出聚合物的相变和弛豫过程会使其挠曲电系数出现急剧下降。同时,我们还指明聚合物的挠曲电响应主要来自结晶相。
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