壓電駐極體薄膜及其制作方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種壓電駐極體薄膜的制作方法，其包括將氟化乙烯丙烯共聚物薄膜與聚四氟乙烯薄膜交替層疊在一起并置于一基底上，交疊之后最外的兩層為聚四氟乙烯薄膜；再將一網(wǎng)格狀壓板置于與基底相對(duì)的最外側(cè)的聚四氟乙烯薄膜上，并在壓板上施加壓力，加熱氟化乙烯丙烯共聚物薄膜與聚四氟乙烯薄膜的交疊結(jié)構(gòu)，冷卻后拆除壓板及基底，得到中部開(kāi)設(shè)微孔的壓電駐極體薄膜。該壓電駐極體薄膜的制作過(guò)程中，通過(guò)選取不同規(guī)格的網(wǎng)格狀壓板，如調(diào)控壓板上網(wǎng)孔的目數(shù)、絲徑、孔形等參數(shù)及熱黏合工藝參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電駐極體薄膜中微孔結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控，實(shí)用性強(qiáng)，可廣泛推廣應(yīng)用。此外，本發(fā)明還涉及一種使用該制作方法制作的壓電駐極體薄膜。
【專利說(shuō)明】壓電駐極體薄膜及其制作方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及功能材料領(lǐng)域，尤其是涉及一種壓電駐極體薄膜及其制作方法。

【背景技術(shù)】
[0002]壓電駐極體薄膜因其具有良好的柔性、可大面積成膜、且制作成本較低等優(yōu)點(diǎn)在通訊、保安、控制、生命科學(xué)及軍事等方面展現(xiàn)出廣闊的應(yīng)用前景。傳統(tǒng)的壓電駐極體材料中，研究較多的是聚丙烯(PP)壓電駐極體薄膜，其壓電系數(shù)d33比鐵電聚合物約高出20倍以上。傳統(tǒng)工藝制備封閉微孔結(jié)構(gòu)聚合物薄膜的方法主要有兩種:一是通過(guò)化學(xué)發(fā)泡工藝得到孔洞結(jié)構(gòu)的材料；二是將聚合物樹(shù)脂與無(wú)機(jī)或有機(jī)顆粒進(jìn)行熔融共混，通過(guò)擠出或熱壓工藝形成薄板，借助聚合物樹(shù)脂和添加顆粒之間力學(xué)性能的巨大差異而在雙向拉伸過(guò)程中形成微孔結(jié)構(gòu)的薄膜。然而上述兩類(lèi)制備方法均無(wú)法實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜微觀結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]基于此，有必要提供一種可實(shí)現(xiàn)對(duì)薄膜微觀結(jié)構(gòu)進(jìn)行精細(xì)調(diào)控的壓電駐極體薄膜及其制作方法。
[0004]一種壓電駐極體薄膜的制作方法，包括如下步驟:
[0005]將氟化乙烯丙烯共聚物薄膜與聚四氟乙烯薄膜交替層疊在一起并置于一基底上，交疊之后最外的兩層為聚四氟乙烯薄膜，其中，所述氟化乙烯丙烯共聚物薄膜的厚度為7?15 μ m,所述聚四氟乙烯薄膜的厚度為2?7 μ m ;
[0006]將一網(wǎng)格狀壓板置于與所述基底相對(duì)的最外側(cè)的聚四氟乙烯薄膜上，并在所述壓板上施加壓力，加熱所述氟化乙烯丙烯共聚物薄膜與所述聚四氟乙烯薄膜至250?300°C并保持12?18分鐘，冷卻后拆除所述壓板及所述基底，得到中部開(kāi)設(shè)微孔的所述壓電駐極體薄膜。
[0007]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述氟化乙烯丙烯共聚物薄膜的數(shù)量為多個(gè)。
[0008]在其中一個(gè)實(shí)施例中，在所述壓板上施加的壓力5?22KPa。
[0009]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述壓板上網(wǎng)孔的目數(shù)為10?100目；網(wǎng)孔的孔形狀為正方形、正六邊形或者圓形；網(wǎng)孔的氣孔率為50?80% ;網(wǎng)格線寬為0.1?0.5mm。
[0010]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述壓板的孔為孔徑大小在0.125mm?
1.25mmX 0.125mm?1.25mm之間的方形孔,或者為邊長(zhǎng)為0.06mm?0.55mm的正六邊形孔。
[0011]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述制作方法還包括對(duì)制作得到的薄膜進(jìn)行電極化處理的步驟。
[0012]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述電極化處理的具體步驟包括:將所述壓電駐極體薄膜置于平板電極上，調(diào)節(jié)針電極與所述平板電極之間的距離為3?12cm，以12?32KV的直流電壓進(jìn)行恒壓電暈充電30?120s。
[0013]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述制作方法還包括在電極化處理之后在所述壓電駐極體薄膜的兩側(cè)蒸鍍厚度為80?120nm的金屬電極層的步驟。
[0014]在其中一個(gè)實(shí)施例中，所述金屬電極層為鋁電極層、鎳電極層或銅電極層。
[0015]一種由上述任一實(shí)施例所述的壓電駐極體薄膜的制作方法制作的壓電駐極體薄膜。
[0016]上述壓電駐極體薄膜的制作過(guò)程中，通過(guò)選取不同規(guī)格的網(wǎng)格狀壓板，如調(diào)控壓板上網(wǎng)孔的目數(shù)、絲徑、孔形等參數(shù)及熱黏合工藝參數(shù)可實(shí)現(xiàn)對(duì)壓電駐極體薄膜中微孔結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控，實(shí)用性強(qiáng)，可廣泛推廣應(yīng)用。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0017]圖1為本發(fā)明一實(shí)施方式的壓電駐極體薄膜的制作方法流程圖；
[0018]圖2為圖1制作方法的實(shí)物示意圖；
[0019]圖3為本發(fā)明制作的微孔結(jié)構(gòu)的壓電駐極體薄膜的掃描電鏡圖；
[0020]圖4為壓電聚合物薄膜的準(zhǔn)靜態(tài)d33的壓強(qiáng)特性圖；
[0021]圖5為本發(fā)明制作的壓電駐極體薄膜與PP壓電駐極體薄膜準(zhǔn)靜態(tài)d33在90°C時(shí)的衰減曲線；
[0022]圖6為90°C的預(yù)老化處理對(duì)本發(fā)明制作的壓電駐極體薄膜熱穩(wěn)定性的影響曲線；
[0023]圖7為壓電駐極體薄膜的理論模型；
[0024]圖8PTFE多孔膜經(jīng)正負(fù)極性電暈充電后在250°C時(shí)的等溫衰減曲線；
[0025]圖9非多孔PTFE膜經(jīng)正負(fù)極性電暈充電后在200°C時(shí)的等溫衰減曲線。

【具體實(shí)施方式】
[0026]下面主要結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的壓電駐極體薄膜及其制作方法作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。
[0027]如圖1和圖2所示，一實(shí)施方式的壓電駐極體薄膜的制作方法，包括如下步驟:
[0028]步驟S110，將氟化乙烯丙烯共聚物(FEP)薄膜110與聚四氟乙烯(PTFE)薄膜120交替層疊在一起并置于一基底130上，其中，交疊之后最外的兩層為聚四氟乙烯薄膜120。
[0029]在本實(shí)施方式中，氟化乙烯丙烯共聚物薄膜110的厚度為7?15μπι，聚四氟乙烯薄膜120的厚度為2?7μπι。
[0030]FEP薄膜110的數(shù)量可以為一層，也可以為多層，如兩層、三層、四層等。PTFE薄膜120的熔點(diǎn)高于FEP薄膜110的熔點(diǎn)，在本實(shí)施方式中，控制PTFE薄膜120的數(shù)量比FEP薄膜110的數(shù)量多一層，從而將交替層疊結(jié)構(gòu)的最外兩層設(shè)在為PTFE薄膜120以滿足后續(xù)加工的需求。
[0031]基底130選用熔點(diǎn)較高的材料制作，基底130的熔點(diǎn)要高于FEP薄膜110及PTFE薄膜120。
[0032]步驟S120，將一網(wǎng)格狀壓板200置于與基底130相對(duì)的最外側(cè)的聚四氟乙烯薄膜120上，并在壓板200上施加壓力，加熱氟化乙烯丙烯共聚物薄膜110與聚四氟乙烯薄膜120至250?300°C并保持12?18分鐘，冷卻后拆除壓板200及基底130，得到內(nèi)部開(kāi)設(shè)微孔的壓電駐極體薄膜。
[0033]在一實(shí)施方式中，在壓板200上施加的壓力為5?22KPa，如在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，在壓板200上施加的壓力可以為1KPa等。加熱溫度優(yōu)選為280°C。
[0034]網(wǎng)格狀的壓板200上網(wǎng)孔的參數(shù)，如可以為如下參數(shù):目數(shù)為10?100目；孔形狀為正方形、正六邊形或者圓形；氣孔率為50?80%;網(wǎng)格線寬為0.1?0.5mm。如在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，壓板200的孔為孔徑大小在0.125mm?1.25mmX 0.125mm?1.25mm之間的方形孔，或者0.06mm?0.55mm的正六邊形孔。
[0035]當(dāng)對(duì)FEP薄膜110與PTFE薄膜120交替層疊的結(jié)構(gòu)進(jìn)行加熱并控制溫度在FEP與PTFE的熔融溫度之間時(shí)，與網(wǎng)格狀壓板200接觸部分的FEP薄膜110和PTFE薄膜120在外壓力的作用下會(huì)相互熔融黏合，而網(wǎng)格空隙部位的區(qū)域由于未受到外力作用，并由于FEP薄膜110與PTFE薄膜120之間殘留的一定量的氣體而形成微孔結(jié)構(gòu)，通過(guò)選取不同規(guī)格的網(wǎng)格狀壓板200，如通過(guò)調(diào)控壓板200網(wǎng)孔的目數(shù)、密度、絲徑、孔形、氣孔率等參數(shù)以及熱黏合工藝的參數(shù)，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)微孔結(jié)構(gòu)的精細(xì)調(diào)控。
[0036]步驟S130，對(duì)得到的內(nèi)部開(kāi)設(shè)微孔的壓電駐極體薄膜進(jìn)行電極化處理。
[0037]電極化處理可以使用支流電壓進(jìn)行恒壓電暈充電或者進(jìn)行恒流電暈充電等方式。在一實(shí)施方式中，電極化處理過(guò)程使用恒壓電暈充電，具體步驟包括:將前述步驟得到的中部開(kāi)設(shè)微孔的壓電駐極體薄膜置于平板電極上，調(diào)節(jié)針電極與平板電極之間的距離為3?12cm，以12?32KV的直流電壓進(jìn)行恒壓電暈充電30?120s。
[0038]步驟S140，在電極化處理后的壓電駐極體薄膜的兩側(cè)分別鍍上金屬電極層。
[0039]金屬電極層如可以為鋁電極層、銅電極層或鎳電極層等導(dǎo)電性能良好的金屬蒸鍍層。金屬電極層的厚度如可以為80?120nm之間的任意數(shù)值等。當(dāng)在壓電駐極體薄膜的兩側(cè)鍍上金屬電極層之后，PTFE兩側(cè)金屬電極層之間形成電容結(jié)構(gòu)。
[0040]圖3為采用本發(fā)明制作方法制作出的壓電駐極體薄膜，從圖3可以看出在FEP和PTFE薄膜的界面間分布著對(duì)應(yīng)柵網(wǎng)結(jié)構(gòu)的獨(dú)立和規(guī)則排列的氣孔，而相鄰氣孔之間的FEP和PTFE薄膜則被熱黏合在一起。
[0041]壓電功能材料的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用要求材料的壓電系數(shù)在一定壓強(qiáng)范圍內(nèi)必須滿足良好的線性關(guān)系，壓電系數(shù)也是評(píng)價(jià)材料壓電性能及其應(yīng)用可能性的重要指標(biāo)之一。對(duì)壓電駐極體薄膜而言，材料壓電活性的線性度與材料的微觀孔洞的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)密切相關(guān)?；诖耍緦?shí)施方式首先檢測(cè)了制作的壓電駐極體薄膜壓電系數(shù)的壓強(qiáng)特性。圖4是具有相同幾何參數(shù)的兩個(gè)本實(shí)施方式制作的壓電駐極體薄膜樣品的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，結(jié)果表明它們都表現(xiàn)出高達(dá)1200pCPN的壓電系數(shù)d33，在實(shí)驗(yàn)所示的壓強(qiáng)范圍內(nèi)隨著外加壓強(qiáng)的增大其d33在小于5KPa時(shí)首先上升，然后趨于平坦。檢測(cè)結(jié)果還表明在ISKPa的壓強(qiáng)范圍內(nèi)，這類(lèi)壓電駐極體的壓電系數(shù)d33的起伏都在10%的范圍內(nèi)。本實(shí)施方式制作的壓電駐極體薄膜壓電效應(yīng)的這一特征與PP壓電駐極體膜的壓電活性隨壓強(qiáng)變化的行為類(lèi)似，從而證實(shí)了采用上述制作工藝制作的具有規(guī)則孔洞結(jié)構(gòu)的壓電駐極體薄膜也是由許多獨(dú)立的封閉氣孔(cellular結(jié)構(gòu))構(gòu)成，即氣孔之間沒(méi)有因相互貫通而形成大的氣隙層，從而避免了由氣隙效應(yīng)引起的隨壓強(qiáng)增大導(dǎo)致壓電系數(shù)d33的急劇衰減現(xiàn)象的發(fā)生。
[0042]如圖5所示，在90°C的高溫下經(jīng)過(guò)一天的老化，本實(shí)施方式的壓電駐極體薄膜(即圖5中氟聚合物，上文或下文又或簡(jiǎn)稱為氟聚合物復(fù)合膜或復(fù)合膜)壓電系數(shù)僅從老化前的1289pCPN衰減到500pCPN，約為初值的40%;而在相同的老化條件下PP (聚丙烯聚合物)膜的剩余壓電系數(shù)d33則已降至初值600pCPN的16%左右，即剩余的壓電系數(shù)為98pCPN。若在同樣的溫度下再儲(chǔ)存4天，氟聚合物復(fù)合膜的壓電系數(shù)d33被穩(wěn)定在350pCPN左右，而多孔PP膜剩余的壓電系數(shù)d33僅為80pCPN左右，從而表明氟聚合物復(fù)合膜壓電活性的熱穩(wěn)定性明顯優(yōu)于多孔PP膜。
[0043]本實(shí)施方式還檢測(cè)了樣品在實(shí)施等溫衰減前進(jìn)行的預(yù)老化處理對(duì)壓電活性熱穩(wěn)定性的影響。圖6給出了 d33的衰減與樣品預(yù)老化處理時(shí)間的關(guān)系曲線。圖6表明隨著預(yù)老化時(shí)間的延長(zhǎng)，氟聚合物復(fù)合膜d33的熱穩(wěn)定性逐步增強(qiáng)，例如將d33初值為2200pCPN的氟聚合物復(fù)合膜進(jìn)行46h的預(yù)老化處理，其剩余d33約為1200pCPN，并表現(xiàn)出高穩(wěn)定性；又如在相同的溫度下儲(chǔ)存110h，氟聚合物復(fù)合膜d33僅衰減了約5%。因此，當(dāng)壓電駐極體傳感器需要應(yīng)用在高溫環(huán)境中時(shí)，例如在汽車(chē)傳感器方面的應(yīng)用時(shí)，氟聚合物復(fù)合膜可能滿足這方面的要求。
[0044]本實(shí)施方式的壓電駐極體薄膜具有突出的電荷儲(chǔ)存能力、材料和電荷儲(chǔ)存的熱穩(wěn)定性及高力學(xué)順度等性質(zhì)，從而可望用作為具有寬服務(wù)溫區(qū)和高壓電活性的空間電荷型駐極體壓電傳感膜。本實(shí)施方式的壓電駐極體薄膜的壓電活性與其儲(chǔ)存的電荷密度線性相關(guān)，因此，通過(guò)充電模式的改變以尋求提高其儲(chǔ)電能力的途徑，對(duì)推動(dòng)這類(lèi)新一代功能膜在相關(guān)功能元器件應(yīng)用的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程和研究這類(lèi)多孔駐極體膜的電荷儲(chǔ)存及其脫阱的輸運(yùn)機(jī)理具有較重要意義。
[0045]如圖7所示，根據(jù)壓電駐極體薄膜的理論模型，孔洞壓電駐極體的壓電系數(shù)d33



可表述為

【權(quán)利要求】
1.一種壓電駐極體薄膜的制作方法，其特征在于，包括如下步驟: 將氟化乙烯丙烯共聚物薄膜與聚四氟乙烯薄膜交替層疊在一起并置于一基底上，交疊之后最外的兩層為聚四氟乙烯薄膜，其中，所述氟化乙烯丙烯共聚物薄膜的厚度為7?15 μ m,所述聚四氟乙烯薄膜的厚度為2?7 μ m ; 將一網(wǎng)格狀壓板置于與所述基底相對(duì)的最外側(cè)的聚四氟乙烯薄膜上，并在所述壓板上施加壓力，加熱所述氟化乙烯丙烯共聚物薄膜與所述聚四氟乙烯薄膜至250?300°C并保持12?18分鐘，冷卻后拆除所述壓板及所述基底，得到中部開(kāi)設(shè)微孔的所述壓電駐極體薄膜。
2.如權(quán)利要求1所述的壓電駐極體薄膜的制作方法，其特征在于，所述氟化乙烯丙烯共聚物薄膜的數(shù)量為多個(gè)。
3.如權(quán)利要求1所述的壓電駐極體薄膜的制作方法，其特征在于，在所述壓板上施加的壓力5?22KPa。
4.如權(quán)利要求1所述的壓電駐極體薄膜的制作方法，其特征在于，所述壓板上網(wǎng)孔的目數(shù)為10?100目；網(wǎng)孔的孔形狀為正方形、正六邊形或者圓形；網(wǎng)孔的氣孔率為50?80% ;網(wǎng)格線寬為0.1?0.5mm。
5.如權(quán)利要求1或4所述的壓電駐極體薄膜的制作方法，其特征在于，所述壓板的孔為孔徑大小在0.125mm?1.25mmX 0.125mm?1.25mm之間的方形孔,或者為邊長(zhǎng)為0.06mm?0.55mm的正六邊形孔。
6.如權(quán)利要求1所述的壓電駐極體薄膜的制作方法，其特征在于，還包括對(duì)制作得到的薄膜進(jìn)行電極化處理的步驟。
7.如權(quán)利要求6所述的壓電駐極體薄膜的制作方法，其特征在于，所述電極化處理的具體步驟包括:將所述壓電駐極體薄膜置于平板電極上，調(diào)節(jié)針電極與所述平板電極之間的距離為3?12cm，以12?32KV的直流電壓進(jìn)行恒壓電暈充電30?120s。
8.如權(quán)利要求6或7所述的壓電駐極體薄膜的制作方法，其特征在于，還包括在電極化處理之后在所述壓電駐極體薄膜的兩側(cè)蒸鍍厚度為80?120nm的金屬電極層的步驟。
9.如權(quán)利要求8所述的壓電駐極體薄膜的制作方法，其特征在于，所述金屬電極層為鋁電極層、鎳電極層或銅電極層。
10.一種由如權(quán)利要求1?9中任一項(xiàng)所述的壓電駐極體薄膜的制作方法制作的壓電駐極體薄膜。
【文檔編號(hào)】B32B27/08GK104044327SQ201410190846
【公開(kāi)日】2014年9月17日 申請(qǐng)日期:2014年5月7日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月7日
【發(fā)明者】成鵬, 張強(qiáng) 申請(qǐng)人:深圳市明鑫高分子技術(shù)有限公司