聚合物/dabcoHReO4复合压电材料的制备与性能研究

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随着人工智能时代的来临,柔性电子皮肤和可穿戴设备引起了人们的广泛关注。压电聚合物因既具有柔性又具有良好的压电性而成为制备柔性压电传感器的关键材料之一。然而,目前压电聚合物的综合性能尚无法满足制备柔性电子皮肤和可穿戴设备的要求。发展压电聚合物复合材料的高效制备方法,深入理解压电聚合物复合材料的构效关系,有效提升它们的综合性能已经成为化学和物理领域的重要研究课题。本文主要利用分子间氢键相互作用制备了两种分散性较好的聚合物/分子铁电体压电复合材料,研究了分子间氢键相互作用和界面耦合作用对压电性能的影响规律,开发了具有柔性和可拉伸性特点的压电聚合物复合材料和压电传感器,探索了它们在柔性电子器件领域的应用,对于发展柔性电子皮肤和可穿戴设备具有重要意义。论文取得的主要研究成果如下:(1)聚偏氟乙烯/dabcoHReO4复合压电材料的制备与性能研究聚偏氟乙烯(PVDF)结晶时会形成多种晶型,而高β相晶体含量是其具备良好压电性能的前提条件之一。本章以分子铁电体-dabcoHReO4(DH)为填料,制备了PVDF/DH复合压电材料,系统地调控了 DH的含量,研究了 PVDF与DH之间的氢键相互作用对PVDF晶型转变的影响规律,建立了 DH含量与压电输出电压的对应关系。将PVDF的β相晶体含量提高至95%,剩余极化强度达到56 mC/m2以上。(2)透明性聚偏氟乙烯/dabcoHReO4复合压电薄膜的制备与性能研究由于光散射作用,PVDF/DH复合压电薄膜的光学透明性较差。为了提高PVDF/DH复合压电薄膜和器件的透明性和制备效率,本章发展了大面积制备PVDF/DH复合薄膜的方法和降低薄膜表面粗糙度的方法,研究了水洗条件和热处理温度与薄膜表面粗糙度之间的关系以及薄膜表面粗糙度与透明度之间的关系,实现了具有良好压电性(压电应变系数d33≈-29 pC/N)和透明性(可见光透过率>90%)的复合薄膜和压电传感器的快速制备,提高了薄膜的粘附性和器件的稳定性。(3)图案化聚偏氟乙烯/dabcoHReO4复合压电薄膜的制备与性能研究为了提高以PVDF/DH为材料基础的柔性压电传感器的压电性能和压力检测灵敏度,本章发展了一种微纳米图案化方法,成功地将天鹅绒竹芋叶片表面的微纳米结构复制到PVDF/DH复合薄膜的表面,将PVDF/DH复合薄膜的d33值提升至-36 pC/N,将柔性压电传感器的压力检测灵敏度提高到201.5mV/kPa。其中,微纳米图案化压电传感器的灵敏度是无结构器件的6倍。理论分析和模拟研究结果表明,器件灵敏度的提高主要是因为降低了材料的杨氏模量,提升了材料的应变率。(4)可拉伸的聚合物/dabcoHReO4复合压电凝胶的制备与性能研究为了改善压电聚合物复合材料的拉伸性,本章以DH和聚乙二醇(PEG)基聚氨酯脲(PUU)凝胶为研究对象,利用DH与PEG之间的氢键相互作用,设计制备了具有良好透明性和压电性的可拉伸型PUU/DH复合压电凝胶。薄膜的透明度可达90%以上,压电系数d33可达-62pC/N,拉伸应变率可达1000%以上。进一步研究了 PUU与DH之间的界面耦合作用对压电性能的影响规律,探索了 PUU/DH复合压电凝胶在柔性电子皮肤领域的应用。
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