柔性热释电复合薄膜制备及其特性研究

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柔性热释电材料不仅具备结构简单、价格低廉、可靠性高等优点,还具备柔性、大面积的特点。其前景随着智能可穿戴设备和人工智能机器人的兴起而逐渐明朗。以PVDF为代表的含氟树脂是柔性热释电薄膜材料研究领域中时间最早、研究最为透彻的一种材料。本文主要研究内容如下:首先,我们讨论了聚偏二氟乙烯(简写为PVDF)薄膜。主要内容为使用传统的流延法制备PVDF薄膜,采用拉伸和极化工艺分别对PVDF薄膜进行处理。而后使用XRD、SEM、红外光谱、铁电和介电测试表征两种工艺对PVDF薄膜的影响。结果发现极化工艺可使部分晶相转变δ相,拉伸工艺使PVDF薄膜中的初始晶相转变为β相,拉伸和极化处理后的薄膜铁电测试都出现了剩余极化强度增大的现象。介电测试发现,极化工艺几乎对薄膜介电性能无影响,拉伸工艺使薄膜介电常数略微增加;总体上,拉伸工艺使薄膜介电损耗变小。其次,鉴于钽酸锂晶体(即LiTaO3)出色的性能,我们讨论了LiTaO3晶体作为复合薄膜的掺杂相的可行性。主要内容是采用流延法制备PVDF/LiTaO3复合薄膜,并系统地研究了掺杂质量比对PVDF/LiTaO3复合薄膜的热释电、铁电、介电等特性的影响。结果表明,在相同的极化工艺下,复合薄膜的热释电性能比纯PVDF薄膜有较大提升。当晶体质量比为20%时,热释电性能达到最佳。复合薄膜的铁电测试表明,复合薄膜的剩余极化强度随着掺杂质量比的提高而提高。复合薄膜的介电常数以及介电损耗相比于PVDF薄膜都有所增加。最后,讨论了基于一维热传导理论的悬臂梁结构测试薄膜热导率的问题。为降低结构加工难度和增加测试的精确性,提出了两种改进的测试结构,分别用COMSOL软件进行仿真。仿真结果表明结构一在相同的测试条件下,可以获得更高的温升,有利于热导率的测量。使用自建的测试系统测量了PVDF薄膜的热导率,由于实验条件和时间所限,测得的PVDF薄膜热导率与理论值相去甚远,实验有待进一步改进。
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