柔性热释电薄膜制备工艺及性能优化

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柔性热释电材料作为一种新型材料,其制备的薄膜具有耐腐蚀性、耐氧化性、柔性可弯曲等优点,在红外热成像系统、红外报警系统、热释电探测系统等很多领域有着很好的应用前景。基于此,本论文对PVDF基柔性热释电薄膜的制备工艺进行了研究,主要研究内容如下:1、采用常规的三步法研究PVDF热释电薄膜的制备,首先是成膜,方法包括流延法、热压法和旋涂法。这一步通常制备出的薄膜晶体结构主要为α相,对薄膜进行拉伸可以提高β相含量,再进行热极化使PVDF薄膜具有热释电性能。之后通过SEM观察薄膜的表面结构,利用XRD和FTIR研究薄膜的晶体结构,验证了经过拉伸和极化可以提高薄膜的β相含量。通过搭建的热释电测试平台测试薄膜的热释电系数,表明拉伸比越大、极化电场强度越高薄膜的热释电性能越好。2、提出制备PVDF薄膜的流延-拉伸复合工艺,该工艺不需要高温拉伸,也不需要高温极化,而是在成膜的过程中拉伸,制备的薄膜直接具有热释电性能。通过表征后分析可知,薄膜的β相含量随着成膜温度升高先变大后减小,β相含量随剩余极化强度、介电常数、热释电系数的变化也是如此。通过实验分析可知PVDF薄膜在溶液浓度为25%、拉伸速率为20 cm.s-1、拉伸长度为15 cm、成膜温度为80oC时获得最佳的热释电性能。通过搭建的偶极子取向测定装置进行测试和分析,证明流延-拉伸复合工艺制备的PVDF薄膜中偶极子在垂直方向有一定分量。之后将成膜板进行氢键处理,得到的薄膜具有更优良的热释电性能,证明流延-拉伸复合工艺制备的PVDF薄膜直接具有热释电性能是由于成膜板的氢键诱导作用。3、探索了三种简易新颖的方法来提升PVDF薄膜热释电性能:(1)方法一是采用叠层结构,将PVDF薄膜上下两层薄膜的热释电响应叠加,使相同薄膜面积具有更大的热释电响应。测试结果验证了这一设想,但所获得的响应信号比两层膜响应信号的和小。(2)方法二是在铁电相中掺入高热膨胀系数的非铁电相,通过增大复合薄膜的热膨胀系数来改进薄膜的热释电性能。实验结果表明当PMMA与P(VDF-TrFE)共混比例小于3:10时,共混薄膜的热释电响应信号是有小幅提高,最高可提升5%。(3)方法三是将粒径较大的PE颗粒掺入PVDF薄膜中增大薄膜表面积,提高表面热吸收率进而提高热释电性能。实验结果表明当颗粒的混入比例小于3:10时,共混薄膜的热释电响应信号最高可提升约3.8%。
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