基于PVDF-TrFE/ZnO复合薄膜的柔性压电传感器的制备及性能研究

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随着信息化及新兴电子产业的蓬勃发展,可穿戴设备已成为世界各国科研与产业转型的重要阵地。聚偏氟乙烯(PVDF)及其共聚物相对于压电陶瓷,具备灵敏度高,易加工,柔韧性好和密度小等优点,而常规PVDF薄膜的压电β相受制备工艺影响大,可控性差,其共聚物聚偏氟乙烯-三氟乙烯(PVDF-TrFE)因其独特的结构使得其更容易得到β相含量高、柔性大的薄膜,故成为柔性传感器有源层的理想材料之一。本论文通过在PVDF-TrFE中添加纳米级的氧化锌(ZnO),提高薄膜的β相含量,制作出性能优越的柔性压电传感器。文中首先采用正丙胺(PA)和1H,1H,2H,2H-全氟辛基三甲氧基硅烷(PFOES)对纳米ZnO进行修饰,解决ZnO在PVDF-TrFE中的分散情况;其次通过优化旋涂法的工艺参数,得到β相含量更高的复合薄膜;另外,采用超声醇碱法制备出比购买的纳米ZnO粒径更小的ZnO量子点,将其与PVDF-TrFE进行复合,探讨超声醇碱法的反应条件对PVDF-TrFE/ZnO量子点复合薄膜压电应变常数的影响;最后讨论了添加缓冲层聚乙烯吡咯烷酮(PVP)对传感器压电输出的影响。本文通过以上的研究,得到的结论有:(1)同时添加PA和PFOES有利于纳米ZnO在PVDF-TrFE中的分散,提高压电相β相的形成,并增大薄膜的比表面积,从而使薄膜获得更高的压电应变常数(34.7±2.4 pC/N),制备的压电传感器的压电输出(2.65±0.10 V)较大。(2)制备PVDF-TrFE/ZnO有源层的旋涂工艺参数中,旋涂转速为2000 r/min、旋涂层数为三时,制备的复合薄膜的β相含量较高,压电应变常数(34.7±2.4 pC/N)较大,对应的压电传感器的压电输出为2.65±0.10 V。(3)采用超声醇碱法制备ZnO量子点,反应条件以LiOH为碱源、超声时间为60min、Zn2+:OH-比例为1:2时制得的ZnO量子点的平均粒径较小,为4.73 nm,其复合薄膜压电应变常数d33值为40.8±0.3 pC/N,以此复合薄膜作为有源层制备的传感器的压电输出值为3.23±0.09 V,比以PVDF-TrFE/纳米ZnO复合薄膜为有源层的传感器的输出值提高了21.9%。(4)通过落球实验可以得出,相对于不加PVP缓冲层的传感器的压电输出值(1.82±0.13 V),加上PVP缓冲层的传感器的压电输出值(1.85±0.03 V)更加稳定,这是因为PVP缓冲层使有源层与电极的接触面积增大,更利于电荷在有源层与电极之间的传导。最后采用Izod激励器对加上PVP缓冲层的传感器进行稳定性测试,经过1000次循环后,柔性压电传感器的输出电压保持在2.40 V,可以得出本次实验制备的柔性压电传感器具有较高的机械抗疲劳性。
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