一种高压电系数的铁电聚合物薄膜的制备方法

本发明属于铁电聚合物的，更具体涉及一种高压电系数的铁电聚合物薄膜的制备方法。

背景技术：

1、目前，铁电聚合物材料已广泛应用于能量收集、用于成像的声学换能器、故障检测、船舶导航和机器人中的人工肌肉等领域之中。然而，与无机物(压电陶瓷)相比，聚合物的低机电(em)性能严重限制了它们在这些应用中的性能和实用性。在市场上最具吸引力的铁电聚合物聚偏二氟乙烯(pvdf)的铁电聚合物的压电系数只有-35pm/v，机电耦合系数k33只有23％，远小于目前广泛使用的铁电陶瓷pb(tizr)o3(pzt)，该压电陶瓷的机电耦合系数k33>70％，压电系数d33>700pm/v。同时，虽然p(vdf-trfe-cfe)三元聚合物可以实现较大的电制动(dx/de>400pm/v)，但是该效应是在击穿电压附近得到的，没有实际应用前景。

2、压电效应是指受到外机械力作用而发生电极化，并导致压电体两端表面内出现符号相反的束缚电荷，其电荷密度与外机械力成正比，这种现象称为正压电效应.压电体受到外电场作用而发生形变，其形变量与外电场强度成正比，这种现象称为逆压电效应。正压电效应和逆压电效应总称为压电效应，压电系数d33用于描述压电材料压电性能，压电系数的数值越大，材料的压电性能越优越。

3、而对于聚偏氟乙烯基聚合物，它具有α，β，γ等构象，其中β构象作为全反式构象，因为它的原子规则排列两边，因此具有最大的偶极矩，所以β构象下所展现出的压电性能最好，压电系数d33也最大，因此为了提高聚偏氟乙烯基材料的压电性能，应当尽可能多的得到β构象。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种高压电系数的铁电聚合物薄膜的制备方法，所得p(vdf-trfe-cfe-fa)四聚物产物由于含有fa，双键的形成可以降低聚合物转变为全反式构象β相所需要的能量，因此，含有双键的聚合物可以在更低的电场下达到较好的压电效应，得到较高的压电系数d33。

2、为了实现上述目的，本发明是通过以下技术方案实现的：一种高压电系数的铁电聚合物薄膜的制备方法，包括如下步骤:

3、(1)p(vdf-trfe-cfe)三元聚合物加入n、n-二甲基甲酰胺中搅拌，再加入三乙胺进行脱氯化氢，得到p(vdf-trfe-cfe-fa)四聚物产物；

4、(2)将四聚物产物加入n、n-二甲基甲酰胺中搅拌，所得聚合物溶液进行旋涂成膜，随后依次经过干燥、退火，得到铁电聚合物薄膜。

5、进一步优选的，所述p(vdf-trfe-cfe)三元聚合物和n、n-二甲基甲酰胺的加入量之比为0.5g：10-15ml。

6、进一步优选的，所述p(vdf-trfe-cfe)三元聚合物和三乙胺的加入量之比为0.5g：1ml。

7、进一步优选的，脱氯化氢过程为将反应液置于50-60℃油浴中，搅拌反应20-150min。

8、进一步优选的，脱氯化氢过程完成后，将溶液倒入乙醇水溶液中收集沉淀物，沉淀物在n、n-二甲基甲酰胺中溶解，重复2-3次，将最后收集得到的沉淀物真空干燥，得到四聚物产物。

9、进一步优选的，所述四聚物产物和n、n-二甲基甲酰胺的加入量之比为0.2-0.4g：5ml。

10、进一步优选的，所述旋涂成膜的参数条件为：转速250-350rpm，旋转时间20-40s，加速度50-60r/s。

11、进一步优选的，将0.5-1.0ml所得聚合物溶液进行旋涂成膜，膜厚度为10-15μm。

12、进一步优选的，所述干燥为在60-70℃下干燥12-24h。

13、进一步优选的，所述退火为在120℃的真空烘箱中退火24-36h，真空度为0.1-0.3mpa。

14、相比于现有技术，本发明具有以下优点：

15、(1)所制备的薄膜相比较与现阶段市场上大多数压电聚合物薄膜，它的压电系数d33与机电耦合系数k都得到了显著的提升，甚至超过了压电陶瓷。

16、(2)所制备的薄膜在40-60mv/m的低电场下就可以得到较大的压电系数。

技术特征：

1.一种高压电系数的铁电聚合物薄膜的制备方法，其特征在于，包括如下步骤:

2.如权利要求1所述高压电系数的铁电聚合物薄膜的制备方法，其特征在于，所述p(vdf-trfe-cfe)三元聚合物和n、n-二甲基甲酰胺的加入量之比为0.5g：10-15ml。

3.如权利要求1所述高压电系数的铁电聚合物薄膜的制备方法，其特征在于，所述p(vdf-trfe-cfe)三元聚合物和三乙胺的加入量之比为0.5g：1ml。

4.如权利要求1-3之一所述高压电系数的铁电聚合物薄膜的制备方法，其特征在于，脱氯化氢过程为将反应液置于50-60℃油浴中，搅拌反应20-150min。

5.如权利要求4所述高压电系数的铁电聚合物薄膜的制备方法，其特征在于，脱氯化氢过程完成后，将溶液倒入乙醇水溶液中收集沉淀物，沉淀物在n、n-二甲基甲酰胺中溶解，重复2-3次，将最后收集得到的沉淀物真空干燥，得到四聚物产物。

6.如权利要求1所述高压电系数的铁电聚合物薄膜的制备方法，其特征在于，所述四聚物产物和n、n-二甲基甲酰胺的加入量之比为0.2-0.4g：5ml。

7.如权利要求1所述高压电系数的铁电聚合物薄膜的制备方法，其特征在于，所述旋涂成膜的参数条件为：转速250-350rpm，旋转时间20-40s，加速度50-60r/s。

8.如权利要求1或6或7所述高压电系数的铁电聚合物薄膜的制备方法，其特征在于，将0.5-1.0ml所得聚合物溶液进行旋涂成膜，膜厚度为10-15μm。

9.如权利要求1所述高压电系数的铁电聚合物薄膜的制备方法，其特征在于，所述干燥为在60-70℃下干燥12-24h。

10.如权利要求1或9所述高压电系数的铁电聚合物薄膜的制备方法，其特征在于，所述退火为在120℃的真空烘箱中退火24-36h，真空度为0.1-0.3mpa。

技术总结本发明涉及铁电聚合物的技术领域，公开了一种高压电系数的铁电聚合物薄膜的制备方法，包括如下步骤:(1)P(VDF‑TrFE‑CFE)三元聚合物加入N、N‑二甲基甲酰胺中搅拌，再加入三乙胺进行脱氯化氢，得到四聚物产物；(2)将四聚物产物加入N、N‑二甲基甲酰胺中搅拌，所得聚合物溶液进行旋涂成膜，随后依次经过干燥、退火，得到铁电聚合物薄膜。本发明所制备的薄膜的压电系数d33得到了显著的提升，甚至超过了压电陶瓷；所制备的薄膜在40‑60MV/m的低电场下就可以得到较大的压电系数。技术研发人员：石子杰,万军民,吴谌情,谢凯受保护的技术使用者：浙江理工大学技术研发日：技术公布日：2024/10/17