【摘 要】
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聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride,PVDF）是一种具有高柔韧性、高耐磨性的有机高分子压电材料,可用于制作自供电柔性传感器或能量捕获器。近年来,PVDF传感器在柔性电子皮肤、人体运动检测、个性化健康检测、人体能量采集等方面有着广泛的应用。然而,与传统的无机压电材料相比,PVDF的压电常数较低,研究表明其压电系数约为-30pC/N,仅为锆钛酸铅（leadzirconateti
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聚偏氟乙烯（polyvinylidene fluoride,PVDF）是一种具有高柔韧性、高耐磨性的有机高分子压电材料,可用于制作自供电柔性传感器或能量捕获器。近年来,PVDF传感器在柔性电子皮肤、人体运动检测、个性化健康检测、人体能量采集等方面有着广泛的应用。然而,与传统的无机压电材料相比,PVDF的压电常数较低,研究表明其压电系数约为-30pC/N,仅为锆钛酸铅（leadzirconatetitanate,PZT）的1/20-1/8且必须经过拉伸-极化这一复杂过程使材料中的分子偶极取向,才能使自身获得压电性。因此如何使PVDF材料通过简单的过程获得较强的压电响应是一个亟待解决的问题。挠曲电效应是一种由材料应变梯度影响产生的机电耦合响应,能够大幅提高材料的表观压电性能。本文设计了光栅阵列与圆锥阵列两种微纳图案,利用模板法在PVDF薄膜表面转印上述微纳米图案,使α相PVDF薄膜产生挠曲电,以提高表观压电性能。实验证明,经微纳米图案化后的薄膜比PVDF平板薄膜输出电压提升2-3倍左右。将这种微纳图案化的PVDF薄膜制成传感器,其灵敏度比无结构薄膜高出2-3倍,可用来检测由声波、机械波、风压等引起的微小震动。同时具有高耐磨性,可承受1000次以上机械锤击。通过Comsol软件的仿真探究了圆锥阵列与光栅阵列的结构参数、结构形状、尺寸等条件对应变梯度和挠曲电效应大小的影响。仿真及计算结果均表明,PVDF微纳结构中产生的应变梯度与光栅（圆锥）结构的参数b/a（R/r）成正比,与光栅（圆锥）的高度h成反比。对不同结构参数的PVDF薄膜进行电性能测试,实验结果与计算和仿真结果基本相符。理论与实验结果均表明:微纳结构的尺寸效应与形状均对应变梯度的大小起到一定程度的调控作用。这些发现将为未来挠曲电效应的研究与柔性传感器发展提供了新的思路。
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