PVDF-HFP/纳米ZnO复合薄膜及其压电传感器的制备与性能研究

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聚偏氟乙烯-六氟丙烯(PVDF-HFP)具有热电、压电性,同时具有高柔韧性的特点,但其本身的压电性能并不高。因此,为了在柔性的基础上同时获得良好的压电性能,采用纳米陶瓷填料氧化锌(ZnO)进行掺杂,使得到的压电复合材料既具有高压电常数、高硬度的优点,又具有聚合物良好柔韧性的优点。然而,纳米填料容易团聚,本文采用四氟化碳等离子体对纳米ZnO进行表面改性,并将改性后的纳米ZnO用来制备PVDF-HFP/ZnO复合压电薄膜,分别探讨等离子修饰对纳米ZnO和复合薄膜的影响,并对薄膜进行封装,制备压电传感器。具体研究内容如下:(1)使用四氟化碳等离子体对纳米ZnO进行表面改性,分析了等离子处理对纳米ZnO粉体表面形貌、内部结构的影响。通过扫描电镜观察,傅里叶变换红外光谱分析,以及X射线衍射表征,发现等离子修饰对纳米ZnO的表面形貌产生刻蚀,变得光滑,但未影响粉体本身的结构。(2)采用纳米ZnO作为填料,将纳米ZnO溶液与PVDF-HFP溶液混合,以刮涂法制备纯PVDF-HFP薄膜、PVDF-HFP/ZnO复合薄膜、PVDF-HFP/改性ZnO复合薄膜。通过扫描电镜观察,傅里叶变换红外光谱和X射线衍射表征,以及准静态d33测试,研究了三种薄膜的表面形貌、结晶相和压电应变常数。结果表明,等离子修饰后的纳米ZnO更加均匀的分散在复合薄膜中,β相含量达到40.75%;结晶相以β相为主。等离子修饰的复合压电薄膜的平均d33值为~29.2 p C/N,与用未处理的纳米ZnO制成的复合薄膜(~18.8 p C/N)相比提高了55%。(3)采用铜箔为电极,乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)薄膜为基底制备柔性压电传感器。对得到的三种压电传感器通过自制的循环按压系统进行稳定性测试,通过振动台测试系统进行振动信号测试。结果发现,在循环按压的过程中,PVDFHFP薄膜传感器最先出现疲劳致损,复合薄膜传感器在循环按压的过程中更加稳定,循环次数可超过1500次。在100 Hz振动测试过程中,PVDF-HFP/改性ZnO复合薄膜传感器在1.75 mm、1.8 mm、1.84 mm的振幅下,输出电压范围均高于PVDF-HFP薄膜传感器和PVDF-HFP/ZnO复合薄膜传感器。
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