- 2022-11-11 15:21:53
- 来源: 西安交通大学
负责人: 张志成
所在学院：理学院
一、项目简介
聚偏氟乙烯（PVDF）基氟聚合物具有优良的耐候、耐腐蚀、耐酸碱性能，以及优异的介电、铁电、压电、热释电性能，在电子信息、电气系统、新能源等领域被广泛应用。近年来研究表明，此类聚合物具有很高的电能存储能力，在高储能电介质中具有非常诱人的应用前景。同时，其良好的耐腐蚀、耐酸碱及耐候性也为其在新能源（如锂离子电池、燃料电池、太阳能光伏电池等）领域的应用赋予光明前景。然而现有的PVDF压电膜制备工艺苛刻，拉膜工艺难以掌控，产品质量稳定性不好，影响长期工作稳定性。
VDF与三氟乙烯（TrFE）的共聚物P(VDF-TrFE)无需拉伸即可获得很好的铁电压电性能，但是，由于TrFE短缺、稳定性差等原因，使得P(VDF-TrFE)难以工业化，成本极高，苏威量产价格依然要5万元/kg。
二、产品性能优势
（1）合成树脂
本项目采取商业的氟橡胶P(VDF-CTFE)（CTFE为三氟氯乙烯）为原料，通过还原反应，合成出P(VDF-TrFE),工艺简单、条件温和、原料丰富且廉价，制备的P(VDF-TrFE)树脂性能与直接共聚的树脂一致（d33达到-23pC/N）。
图1 P(VDF-TrFE)树脂
（2）集成压电膜
➢ 产品性能指标
指标 | P(VDF-TrFE)压电膜 | 指标 | P(VDF-TrFE)压电膜 |
有效电极面积 |
≥25×25 mm2 |
声阻抗 | 2.5～3.0×
105 Pa·s / m3 |
膜厚 | 25±2 μm | 声速 | 2000～2500 m/s |
密度 | 1.8 ×
103 kg / m3 |
机电耦合系数 |
K33～0.16 |
平整度 | ≤5% | 体积电阻率 | 1013 Ω·cm |
有效压电常数 | d33≤ -25 pC/N；
d31> 25 pC/N |
表面电阻 |
任意两点之间< 5Ω |
相对介电常数 | 10～15 | 泊松比 | 0.35 |
压电电压常数 | 250×10-
3 Vm / N |
弹性模量 |
～2000 MPa |
使用温度（℃） | -20～90 | 断裂拉伸强度 | ～50 MPa |
拉伸强度 | ≥ 5.7 MPa | 电极剥离强度 | ≥ 10 kg/cm2 |
➢ 各种压电材料的优缺点
压电材料 | 优点 | 缺点 |
压电陶瓷 |
种类多样、压电系数高、价格低廉、耐温好、应用广泛。 | 无法大面积和薄膜化制备、易碎、应力响应精度低、与水声阻抗匹 配性不好。 |
石英
(或者其它无机盐） | 应力响应精度高、频率特
性好。 | 压电系数低、耐温度湿度性能
差、制备难度高。 |
压电聚合物 | 易大面积制备、压电系数较高、模量小、应力响应精度高、柔韧性好、易图案化和极 化、与水声阻抗匹配性好。 | 耐高温性能差、压电系数低于陶瓷、未工业化生产应用。 |
➢ 各压电材料参数比较
材料 | 密度
/kg·m-3 | 介电常数
（εr） | 压电常数 d33
/pC·N-1 | 热释电系数
/μC·m-2·K-1 | 机电耦合
系数（kt） |
PVDF | 1.76 | 12 | -20 | 40 | 0.16 |
P(VDF-TrFE) | 1.9 | 13-20 | -25～-30 | 30～40 | 0.20～0.30 |
PZT-5 | 7.75 | 1700 | 374 | 60～500 | 0.34 |
BaTiO3 | 5.7 | ＞2000 | 191 | 200 | 0.21 |
石英 | 2.66 | 4.5 | 2.31 | - | 0.09 |
三、市场前景及应用
与传统的单晶和陶瓷压电材料相比，它具有良好可塑性、较低的弹性模量，可以通过简单的制备工艺做成各种形状，如薄膜、纤维和块体等。P(VDF-co-TrFE)压电膜主要应用于以下领域：
1）水声传感器和换能器
压电聚合物P(VDF-co-TrFE)水声换能器研究初期均瞄准军事应用，如用于水下探测的大面积传感器阵列和监视系统等，随后应用领域逐渐拓展到地球物理探测、声波测试设备等方面。美国曾把水声与雷达、原子弹并列为三大发展计划。随着潜艇技术的发展，潜艇噪声越来越小，用被动拖曳线阵列声纳探测目标越来越困难。为此，各国海军又把目标投向了主动式探测声纳，开始研制低频主动拖曳线阵列声纳。经过高能射线辐照的P(VDF-co-TrFE)聚合物材料的声阻抗与水数量级相同，使得制备的水听器可以放置在被测声场中，感知声场内的声压，且不致由于其自身存在使被测声场受到扰动。因此是非常理想的主动式声纳传感器材料，目前我国船舶总公司这方面的需求非常迫切。
2）超声传感器和换能器
机器人安装接近觉传感器主要目的有以下三个：其一，在接触对象物体之前，获得必要的信息，为下一步运动做好准备工作；其二，探测机器人手和足的运动空间中有无障碍物。如发现有障碍，则及时采取一定措施，避免发生碰撞，其三，为获取对象物体表面形状的大致信息。超声波因其波长较短、绕射小并定向传播，利用P(VDF-co-TrFE)聚合物制造的超声传感器，使得机器人能够灵活地探测周围物体的存在与距离，该领域蕴藏着巨大的市场潜力。
3）医疗传感器和换能器
PVDF及其共聚物与压电陶瓷相比，其声阻抗(约4MRayls)与人体组织(约1. 5MRay ls)相当，在超声成像方面具有明显的优势。具有宽频响应、强度和稳定性良好的优点，在超声成像中有助于实现短脉冲响应，提高轴向成像分辨率。利用延时频谱方法可使聚合物传感器的信噪比在1到40MHz之间不低于60到75 dB。压电聚合物在生物医学领域的应用可以分为探头、超声源和成像系统三类。非介入聚合物探头心肺检测系统可以重复可靠地检测心肺功能。PVDF 薄膜较高的机械损耗使得PVDF超声发射源在较宽频率范围内具有比较平坦的发射电压响应，使其在宽带超声频率绝对校准应用中具有优异特性。其超声发射源可以发射频率超过30MH z的超声冲击波，在非介入肾结石超声破碎和超声应用中具有良好前景。由其拍摄的甲状腺超声图像大大优于压电陶瓷传感器的结果。采用P(VDF-co-TrFE)共聚物，可以进一步增强聚合物的压电效用，由工作频率为7. 5MH z的P(VDF-co-TrFE)传感器获得的乳房超声图像表明，由于采用共聚物，图像质量获得了显著提高。
3）驱动器
压电/电致伸缩驱动器已成功地应用在精密定位、精密加工、智能结构、生物工程、航空航天、电子通讯、汽车工业、机器人关节、医疗器械等众多技术领域，并已经形成一个巨大的产业。电子束辐照的P(VDF-co-TrFE)含氟共聚物具备驰豫铁电体特征，使该材料具备了产生大伸缩应变的能力，最大应变量可超过4%，大大超出传统压电陶瓷材料0. 2% 的应变水平，这一优异特性赋予了该材料在微驱动领域的应用潜力。医疗上的应用主要是人工器官的驱动。例如人工肺(氧合器)、人工心脏(血泵)、人工肾(血液透析器)以及定向给药等，市场前景非常广阔。
四、技术成熟度
本文采集于： http://tlo.xjtu.edu.cn/info/1013/1956.htm
