高电场极化制备PVDF-HFP压电复合材料研究

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压电材料可以实现机械能-电能的转换,是现代电子技术中重要的基础材料之一,在近一百多年内得到了非常广泛的研究。其中,聚偏氟乙烯(Poly(vinylidene fluoride),PVDF)及其共聚物高分子压电材料,具有柔韧性好、可塑性强、耐腐蚀等优点,被广泛应用在工程、医学、航空等领域。但因其压电性能较低,限制了进一步的应用,因此提升其压电性能是目前研究中的关键。本文通过将镍(Ni)纳米颗粒和铁酸钴(CoFe2O4)纳米颗粒作为加强剂,聚偏氟乙烯-六氟丙烯(poly(vinylidene fluoride-co-hexafluoropropylene),PVDF-HFP)为基体,制备了高压电性能的压电复合材料薄膜,测试了其标准开环电压。同时系统的探索其制备工艺,确定了高电场极化对压电性能的决定性作用,最后对薄膜形貌、结晶度、晶相转变、纳米颗粒分布状态、加强机理等问题进行了系统地分析。本文包括以下研究内容:(1)首先研究电场极化强度对纯PVDF-HFP压电薄膜的压电性能的影响。结果表明,随着极化电场强度的增加,纯PVDF-HFP压电薄膜的标准开环电压不断增加,当极化电场强度为140 MV/m时,最高可达3.35 V,比极化电场强度70 MV/m时(1.41 V)提高138%,比极化电场强度90 MV/m时(2.11 V)提高59%,β晶相的相对含量最高值为98%,结晶度最高达到41%,验证了高电场极化的决定性作用。(2)其次,制备了PVDF-HFP/Ni压电复合材料薄膜,最高极化电场到130 MV/m,对薄膜的压电性能进行了研究。结果表明,Ni纳米颗粒对PVDF-HFP/Ni压电复合材料薄膜的压电性能具有提升作用。当Ni纳米颗粒浓度为0.1 wt.%时,其标准开环电压达到最高值3.84 V,比同极化强度下的纯PVDF-HFP压电薄膜(3.12 V)提高23%,β晶相的相对含量最高值为98%,结晶度最高达到37%。(3)最后制备了PVDF-HFP/CoFe2O4压电复合材料薄膜,薄膜最高极化电场强度到120 MV/m,对压电薄膜的开环电压进行了测量。结果表明,CoFe2O4纳米颗粒对PVDF-HFP/CoFe2O4压电复合材料薄膜的压电性能具有促进作用。当CoFe2O4纳米颗粒浓度为0.15 wt.%时,其标准开环电压达到最高值3.57 V,β晶相的相对含量最高达到99%,结晶度最高达到48%。
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