THV組成基元的組分比對(duì)其駐極體性能的影響及應(yīng)用研究.pdf

1、駐極體（electret）又名“永電體”，是一種能夠長(zhǎng)期儲(chǔ)存空間電荷與偶極電荷的電介質(zhì)材料。近年來(lái)，駐極體薄膜材料在傳感器應(yīng)用方面，取得了令人矚目的發(fā)展。由聚合物駐極體材料制備的微振動(dòng)能量采集器可以有效地將環(huán)境中的振動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能，進(jìn)而為微型化、便攜化和集成化的自驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)供能而成為微能源領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。但是由于駐極體材料中的電荷存儲(chǔ)性能還不夠理想，在自然工作環(huán)境下電荷將發(fā)生衰減，限制了其實(shí)用化的進(jìn)程。研制出電荷存儲(chǔ)穩(wěn)定性能佳、空間電荷和

2、偶極電荷密度高、能抗惡劣環(huán)境的駐極體材料已成為當(dāng)務(wù)之急。本文在總結(jié)現(xiàn)有聚合物駐極體研究成果的基礎(chǔ)上，探索四氟乙烯（TFE）、六氟丙烯（HFP）和偏氟乙烯(VDF)單體組分比不同的三元共聚物THV材料的駐極體性能，研究了THV220（單體比例為45.8wt％TFE，18.5wt%HFP，35.7wt%VDF）、THV500（單體比例為59wt%TFE，19wt%HFP，22wt%VDF）和 THV815（單體比例為76.1wt%TFE，1

3、0.9wt%HFP，13wt%VDF）三種駐極體膜內(nèi)部的電荷行為。在此基礎(chǔ)上，制備了三明治型PTFE/THV/PTFE復(fù)合駐極體膜，提出了一種基于PTFE/THV/PTFE駐極體膜的微振動(dòng)能量采集器，并研究了此能量采集器的輸出性能。取得的主要成果如下：
　　（1）采用高溫熔融熱壓技術(shù)，通過(guò)合理控制成膜溫度，制備得到了THV220、THV500及THV815三種不同TFE-HFP-VDF單體組分比的三元共聚物薄膜。采用X射線衍射技術(shù)

4、測(cè)定了薄膜的XRD圖譜和結(jié)晶度。對(duì)結(jié)晶度的分析表明，結(jié)晶度隨THV220、THV500、THV815的次序增大，極化后THV薄膜的結(jié)晶度變大。對(duì)三種三元共聚物薄膜的介電性能測(cè)試表明，THV220的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗都大于THV500和THV815。聚合物的介電常數(shù)和介質(zhì)損耗都與其極性大小有關(guān)，材料的極性增加，其介電常數(shù)增大。THV220中極性基團(tuán)VDF的含量最高，因而介電常數(shù)也就越大，介質(zhì)損耗也越大。
　　（2）采用熱極化方法對(duì)T

5、HV220、THV500及THV815三種薄膜進(jìn)行注極，采用表面電位測(cè)試方法，研究了在110℃和155℃兩種注極溫度下獲得的駐極體膜在自然存儲(chǔ)條件下的靜電場(chǎng)穩(wěn)定性。結(jié)果表明，樣品的表面電位隨注極電場(chǎng)的增加而增大，注極后表面電位衰減速率隨THV220、THV500、THV815的次序減少。在110℃注極溫度下，THV220駐極體膜表面電位很快就衰減到零，而THV815駐極體膜可穩(wěn)定在275V左右。在155℃、高注極電場(chǎng)作用下，THV815

6、表面產(chǎn)生異號(hào)電荷，即表面電位與注極電場(chǎng)極性相反情況。單面鍍電極與未鍍電極THV駐極體材料表面電位穩(wěn)定性比較研究表明，單面鍍電極可以提高駐極體電荷儲(chǔ)存穩(wěn)定性。
　　（3）熱刺激放電圖譜分析得到，三種THV駐極體體內(nèi)既有偶極電荷又有陷阱電荷。THV220、THV500和THV815在40℃左右都有個(gè)與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)的偶極子峰。對(duì)于由空間電荷引起的峰溫和空間電荷峰與坐標(biāo)軸圍成的面積，THV815最大，THV500次之，THV220最小。厚

7、度為320μm樣品的空間電荷脫阱放電峰位于高于110μm樣品，表明320μm樣品具有較多的深阱電荷。
　?。?）采用高溫熔融熱壓技術(shù)，將非極性材料PTFE與THV220復(fù)合，制備得到了三明治型PTFE/THV/PTFE復(fù)合膜材料，通過(guò)熱極化法對(duì)單面鍍電極復(fù)合膜進(jìn)行注極，制備得到了PTFE/THV/PTFE復(fù)合駐極體膜。采用熱刺激表面電位衰減方法，研究了表面經(jīng)酒精擦拭和未擦拭的復(fù)合駐極體樣品的電荷存儲(chǔ)熱穩(wěn)定性，結(jié)果表明，兩種樣品均呈

8、現(xiàn)表面電位先增加后降低的現(xiàn)象，表面電位最大值度都在125℃處。但酒精擦拭樣品的表面電位增加值是初始表面電位的5倍，而未擦拭樣品的增加幅度很小?；诖爽F(xiàn)象，提出了復(fù)合膜的電荷存儲(chǔ)模型，解釋了其電荷存儲(chǔ)機(jī)制，得出了PTFE/THV/PTFE駐極體膜的靜電效應(yīng)的熱穩(wěn)定性與THV220聚合物層的熔化溫度和VDF極性基團(tuán)有關(guān)的結(jié)論。
　?。?）設(shè)計(jì)制備了基于PTFE/THV/PTFE駐極體膜的微振動(dòng)能量采集器。對(duì)其輸出性能的測(cè)試研究表明，微